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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR
Proyecto Final de Carrera
Sistema de Beamformer y
Antenas Patch en 2.4GHz
Juan Matías Laco
25-09-2009
Director: Juan Cousseau.
Co-Director: Marcelo Bruno.
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Agradecimientos
En primer lugar a mis padres, que me apoyaron durante todo este
tiempo y de los cuales creo haber aprendido las mejores cosas de mi vida; a
mis hermanos, familiares y amigos, que me acompañaron y soportaron
escucharme durante horas hablar de patrones de radiación y otras cosas
que mucho no entendían; a mis directores de proyecto, por darme la
libertad para trabajar y llevar el proyecto más allá; a los profesores que
fomentaron este interés en las comunicaciones y acompañaron de cerca
este proyecto.
También quiero agradecer a Mecanizados C & C, por realizar el
fresado de muchas de las placas de este proyecto y sin los cuales no se
podría haber implementado y medido.
Por último, pero no menos importante, a Apilli Pack por realizar la
impresión del proyecto.
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Tabla de Contenidos
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................3
TABLA DE FIGURAS .......................................................................................................7
RESUMEN ............................................................................................................................ 13
1. HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN DE CAMPOS
ELECTROMAGNÉTICOS (EM). DISEÑO Y MODELADO DE
CIRCUITOS MICROONDAS. ................................................................................... 15
1.1.
Aspectos generales sobre el software de modelación numérica ........... 15
1.2. Puertos (Ports) ............................................................................................................... 17
1.2.1. Puertos guía de onda ........................................................................................................ 18
1.2.2. Puertos Concentrados ...................................................................................................... 19
1.3. Mallado (Meshing) ........................................................................................................... 20
1.4. Herramienta de simulación elegida ......................................................................... 22
2. ANTENAS ...................................................................................................................... 23
2.1. Introducción........................................................................................................................ 23
2.2. Parámetros de Antenas ................................................................................................. 24
2.2.1. Resistencia de radiación .................................................................................................. 25
2.2.2. Campos cercanos y lejanos ............................................................................................ 25
2.2.3. Patrón de Radiación .......................................................................................................... 26
2.2.4. Ancho de haz y ganancia del lóbulo principal ......................................................... 27
2.2.5. Lóbulos laterales................................................................................................................. 29
2.2.6. Magnitud del lóbulo trasero ........................................................................................... 30
2.2.7. Ancho de banda .................................................................................................................. 30
2.2.8. Tamaño de apertura ......................................................................................................... 30
2.2.9. Factor de corrección de la antena ............................................................................... 30
2.2.10. Polarización del campo eléctrico que transmite o recibe ................................. 31
2.2.11. Potencia que puede manejar en el caso de ser una antena transmisora .. 31
2.3. Principios de Funcionamiento de las Antenas Patch ...................................... 31
2.4. Antenas Patch Wideband .............................................................................................. 32
2.4.1. Sustrato Doble Capa ......................................................................................................... 33
2.4.2. Meandering Probe .............................................................................................................. 33
2.5. Antena de Evaluación ..................................................................................................... 33
2.5.1. Diseño y simulación .......................................................................................................... 33
2.5.2. Implementación y medición ........................................................................................... 39
2.5.3. Comparación de resultados ............................................................................................ 48
2.6. Arreglo de antenas .......................................................................................................... 48
2.6.1. Diseño y simulación .......................................................................................................... 48
2.6.2. Implementación y medición ........................................................................................... 51
2.6.3. Comparación de resultados ............................................................................................ 53
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
3. BEAMFORMER ........................................................................................................... 55
3.1. Introducción........................................................................................................................ 55
3.1.1. Beamformer ......................................................................................................................... 55
3.1.2. Matriz de Butler .................................................................................................................. 55
3.2. Híbridos de Cuadratura ................................................................................................. 57
3.2.1. Introducción ......................................................................................................................... 57
3.2.2. Diseño y simulación .......................................................................................................... 58
3.2.3 Implementación y medición ............................................................................................ 62
3.2.4. Comparación de resultados ............................................................................................ 64
3.3. Crossover .............................................................................................................................. 65
3.3.1. Introducción ......................................................................................................................... 65
3.3.2. Diseño y simulación .......................................................................................................... 65
3.3.3. Implementación y medición ........................................................................................... 69
3.3.4. Comparación de resultados ............................................................................................ 70
3.4. Phase Shifter ...................................................................................................................... 71
3.4.1. Introducción ......................................................................................................................... 71
3.4.2. Diseño y simulación .......................................................................................................... 71
3.4.3. Comparación de resultados ............................................................................................ 73
3.5. Diseño y simulación del beamformer ..................................................................... 73
3.6. Implementación y medición del beamformer .................................................... 80
3.7. Comparación de resultados ......................................................................................... 84
4. CABLES ........................................................................................................................... 87
5. SISTEMA........................................................................................................................ 89
5.1. Simulación............................................................................................................................ 89
5.2. Medición ................................................................................................................................ 99
5.3. Comparación de resultados ....................................................................................... 110
6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS. .......................................... 113
7. REFERENCIAS ........................................................................................................ 123
7.1. Anexo 1 - Datasheet Sustrato Taconics RF35 .................................................. 124
7.2. Anexo 2 – CD .................................................................................................................... 128
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Tabla de Figuras
FIGURA 1 – ASPECTOS GENERALES DE LOS MÉTODOS BASADOS EN VOLUMEN COMO FEM O FDTD.
EN FDTD SE UTILIZAN CÉLULAS CÚBICAS, MIENTRAS QUE FEM UTILIZA TETRAEDROS. ......15
FIGURA 2 - ASPECTOS GENERALES DE LOS MÉTODOS DE INTEGRACIÓN SUPERFICIAL COMO MOM.
LAS UNIDADES DE CELDAS USUALMENTE TIENEN LA FORMA DE UN ELEMENTO TIPO LÍNEA,
TRIANGULO O CUADRILÁTERO. ........................................................................16
FIGURA 3 – PUERTO DE GUÍA DE ONDAS: (A) VISTA SUPERIOR, (B) VISTA DE PERSPECTIVA Y (C)
PATRÓN DE CAMPO (MODO DE PUERTO) DE UN ONDA INCIDENTE EN VISTA LATERAL ..........19
FIGURA 4 – PUERTO CONCENTRADO EXCITANDO UN DIPOLO ............................................20
FIGURA 5 – MESHING DE UNA ESFERA CON DIFERENTES MÉTODOS: (A) FORMA GEOMÉTRICA DE LA
ESFERA; MESHING CON (B) TETRAEDROS (FEM), (C) CELDAS ORTOGONALES (FDTD), Y (D)
TRIÁNGULOS (MOM)...................................................................................21
FIGURA 6 – EJEMPLOS FORMAS DE LOS ELEMENTOS DE ANTENAS PATCH ..............................23
FIGURA 7 – EJEMPLOS ALIMENTACIÓN DE ANTENAS PATCH .............................................24
FIGURA 8 – DEFINICIÓN REGIONES DE CAMPOS ..........................................................26
FIGURA 9 – DEFINICIÓN PATRÓN DE RADIACIÓN EN COORDENADAS CARTESIANAS ..................27
FIGURA 10 – DEFINICIÓN PATRÓN DE RADIACIÓN EN COORDENADAS POLARES ......................27
FIGURA 11 – DEFINICIÓN LÓBULO PRINCIPAL Y ANCHO DE HAZ DE UN PATRÓN ......................28
FIGURA 12 – DEFINICIÓN LÓBULOS LATERALES ..........................................................29
FIGURA 13 – DEFINICIÓN MÚLTIPLES MÁXIMOS ..........................................................29
FIGURA 14 – DEFINICIÓN ANCHO DE BANDA .............................................................30
FIGURA 15 – DEFINICIÓN DE POLARIZACIÓN VERTICAL .................................................31
FIGURA 16 – DEFINICIÓN DE POLARIZACIÓN HORIZONTAL .............................................31
FIGURA 17 – POSICIÓN DE CONCENTRACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO EN UN PATCH .................32
FIGURA 18 – AUMENTO POR DOBLE PLACA ................................................................33
FIGURA 19 – AUMENTO POR BLOQUE ......................................................................33
FIGURA 20 – LONGITUD ELÉCTRICA DEL PATCH ..........................................................34
FIGURA 21 – DIMENSIONES ANTENAS .....................................................................35
FIGURA 22 – VARIACIÓN PARÁMETRO A ...................................................................35
FIGURA 23 – VARIACIÓN PARÁMETRO B ...................................................................36
FIGURA 24 – ROE DE LA ANTENA ..........................................................................36
FIGURA 25 – PATRÓN PATCH POLAR EN 2.3GHZ ........................................................37
FIGURA 26 – PATRÓN PATCH 3D EN 2.3GHZ ............................................................37
FIGURA 27 – PATRÓN PATCH POLAR EN 2.4GHZ ........................................................37
FIGURA 28 – PATRÓN PATCH 3D EN 2.4GHZ ............................................................38
FIGURA 29 – PATRÓN PATCH POLAR EN 2.5GHZ ........................................................38
FIGURA 30 – PATRÓN PATCH 3D EN 2.5GHZ ............................................................38
FIGURA 31 – VISTA PISTA...................................................................................39
FIGURA 32 – VISTA PERSPECTIVA ANTENA ................................................................39
FIGURA 33 – VISTA LATERAL ANTENA......................................................................39
FIGURA 34 – VISTA SUPERIOR ANTENA ....................................................................39
FIGURA 35 – MEDICIÓN DE PARÁMETROS S DE LA ANTENA.............................................40
FIGURA 36 – S1,1 DE LA ANTENA MEDIDO ...............................................................40
FIGURA 37 – ROE DE LA ANTENA MEDIDO ................................................................41
FIGURA 38 – S1,1 DE LA ANTENA FINAL MEDIDO ........................................................41
FIGURA 39 – ROE DE LA ANTENA FINAL MEDIDO ........................................................42
FIGURA 40 – ESQUEMA DE MEDICIÓN .....................................................................42
FIGURA 41 – MEDICIÓN INDOOR ...........................................................................43
FIGURA 42 – PATRÓN CARTESIANO, MEDICIÓN INDOOR EN 2.4GHZ..................................43
FIGURA 43 – PATRÓN POLAR, MEDICIÓN INDOOR EN 2.4GHZ .........................................44
FIGURA 44 – PATRÓN CARTESIANO, MEDICIÓN OUTDOOR EN 2.3GHZ ...............................44
FIGURA 45 – PATRÓN POLAR, MEDICIÓN OUTDOOR EN 2.3GHZ .......................................45
FIGURA 46 – PATRÓN CARTESIANO, MEDICIÓN OUTDOOR EN 2.4GHZ ...............................45
FIGURA 47 – PATRÓN POLAR, MEDICIÓN OUTDOOR EN 2.4GHZ .......................................46
FIGURA 48 – PATRÓN CARTESIANO, MEDICIÓN OUTDOOR EN 2.5GHZ ...............................46
FIGURA 49 – PATRÓN POLAR, MEDICIÓN OUTDOOR EN 2.5GHZ .......................................47
FIGURA 50 – PUNTOS ISOTRÓPICOS SEPARADOS Λ/2 ...................................................48
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
FIGURA 51 – ARREGLO DE ANTENAS .......................................................................49
FIGURA 52 – PARÁMETROS S DEL ARREGLO ..............................................................49
FIGURA 53 – PATRÓN POLAR PUERTO 1 EN 2.3GHZ ....................................................50
FIGURA 54 – PARÁMETROS S DE ENTRADA EN CARTA DE SMITH .......................................50
FIGURA 55 – ARREGLO DE ANTENAS IMPLEMENTADO ....................................................51
FIGURA 56 – PARÁMETROS SX,1 ARREGLO ANTENAS ....................................................51
FIGURA 57 – PARÁMETROS SX,2 ARREGLO ANTENAS ....................................................52
FIGURA 58 – PARÁMETROS SX,3 ARREGLO ANTENAS ....................................................52
FIGURA 59 – PARÁMETROS SX,4 ARREGLO ANTENAS ....................................................52
FIGURA 60 – PATRÓN DE RADIACIÓN DE UN ELEMENTO DEL ARREGLO ................................53
FIGURA 61 – DIAGRAMA BEAMFORMER ....................................................................56
FIGURA 62 – PATRÓN DE HACES ...........................................................................57
FIGURA 63 – DIAGRAMA HÍBRIDO DE CUADRATURA .....................................................57
FIGURA 64 – HÍBRIDO DE CUADRATURA TEÓRICO........................................................58
FIGURA 65 – DIMENSIONES HÍBRIDO 1 ...................................................................59
FIGURA 66 – MÓDULO DEL HÍBRIDO 1 ....................................................................59
FIGURA 67 – DIMENSIONES HÍBRIDO FINAL ..............................................................59
FIGURA 68 – SEÑALES DE ENTRADA Y SALIDA HÍBRIDO FINAL..........................................60
FIGURA 69 – MÓDULO DEL HÍBRIDO FINAL ...............................................................60
FIGURA 70 – FASES S3,1 Y S4,1 DEL HÍBRIDO FINAL ..................................................60
FIGURA 71 – CORRIENTES SUPERFICIALES EN F= 2.4 GHZ DEL HÍBRIDO FINAL ....................61
FIGURA 72 – CAMPO ELÉCTRICO EN F= 2.4 GHZ DEL HÍBRIDO FINAL................................61
FIGURA 73 – CAMPO MAGNÉTICO EN F= 2.4 GHZ DEL HÍBRIDO FINAL ...............................61
FIGURA 74 – FLUJO DE POTENCIA EN F= 2.4 GHZ DEL HÍBRIDO FINAL ..............................62
FIGURA 75 – MEDICIÓN DEL HÍBRIDO .....................................................................62
FIGURA 76 – HÍBRIDO IMPLEMENTADO ....................................................................63
FIGURA 77 – MÓDULO PARÁMETROS S DEL HÍBRIDO IMPLEMENTADO .................................63
FIGURA 78 – FASE PARÁMETROS S DEL HÍBRIDO IMPLEMENTADO......................................63
FIGURA 79 – COMPARACIÓN MÓDULOS S3,1 Y S4,1 MEDIDOS Y SIMULADOS .......................64
FIGURA 80 – COMPARACIÓN FASES S3,1 Y S4,1 MEDIDOS Y SIMULADOS ...........................64
FIGURA 81 – DIMENSIONES CROSSOVER..................................................................65
FIGURA 82 – SEÑALES DE ENTRADA Y SALIDA CROSSOVER .............................................66
FIGURA 83 – MÓDULO CROSSOVER ........................................................................66
FIGURA 84 – DETALLE MÓDULO S4,1 CROSSOVER ......................................................66
FIGURA 85 – FASES CROSSOVER ...........................................................................67
FIGURA 86 – CORRIENTES SUPERFICIALES EN F= 2.4 GHZ CROSSOVER .............................67
FIGURA 87 – CAMPO ELÉCTRICO EN F= 2.4 GHZ CROSSOVER ........................................67
FIGURA 88 – CAMPO MAGNÉTICO EN F= 2.4 GHZ CROSSOVER .......................................68
FIGURA 89 – FLUJO DE POTENCIA EN F= 2.4 GHZ CROSSOVER.......................................68
FIGURA 90 – CROSSOVER ...................................................................................69
FIGURA 91 – MEDICIÓN CROSSOVER ......................................................................69
FIGURA 92 – MÓDULO PARÁMETROS S CROSSOVER MEDIDOS .........................................69
FIGURA 93 – DETALLE MÓDULO S4,1 CROSSOVER MEDIDO ............................................70
FIGURA 94 – FASE S4,1 CROSSOVER MEDIDO ...........................................................70
FIGURA 95 – DIAGRAMA PHASE SHIFTER .................................................................72
FIGURA 96 – COMPARACIÓN FASES PHASE SHIFTER Y CROSSOVER ....................................72
FIGURA 97 – MÓDULO S2,1 PHASE SHIFTER .............................................................72
FIGURA 98 – DIAGRAMA BEAMFORMER ....................................................................73
FIGURA 99 – SEÑALES ENTRADA – SALIDA PUERTO 1 ...................................................74
FIGURA 100 – SEÑALES ENTRADA – SALIDA PUERTO 2 .................................................74
FIGURA 101 – MÓDULOS PARÁMETROS S BEAMFORMER ................................................74
FIGURA 102 – DETALLE MÓDULOS PARÁMETROS S BEAMFORMER PUERTO 1 .........................75
FIGURA 103 – DETALLE MÓDULOS PARÁMETROS S BEAMFORMER PUERTO 2 .........................75
FIGURA 104 – FASES PARÁMETROS S BEAMFORMER PUERTO 1 ........................................75
FIGURA 105 – FASES PARÁMETROS S BEAMFORMER PUERTO 2 ........................................75
FIGURA 106 – FASES PARÁMETROS S BEAMFORMER PUERTO 3 ........................................76
FIGURA 107 – FASES PARÁMETROS S BEAMFORMER PUERTO 4 ........................................76
FIGURA 108 – CORRIENTES SUPERFICIALES BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 1 ..................76
FIGURA 109 – CORRIENTES SUPERFICIALES BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 2 ..................77
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FIGURA 110 – CAMPO ELÉCTRICO BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 1 ..............................77
FIGURA 111 – CAMPO ELÉCTRICO BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 2 ..............................77
FIGURA 112 – CAMPO MAGNÉTICO BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 1.............................78
FIGURA 113 – CAMPO MAGNÉTICO BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 2.............................78
FIGURA 114 – FLUJO DE POTENCIA BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 1.............................78
FIGURA 115 – FLUJO DE POTENCIA BEAMFORMER F=2.4GHZ PUERTO 2.............................79
FIGURA 116 – MEDICIÓN BEAMFORMER ..................................................................80
FIGURA 117 – BEAMFORMER IMPLEMENTADO.............................................................80
FIGURA 118 – MÓDULO PARÁMETROS S1,1, S2,2, S3,3, S4,4 BEAMFORMER MEDIDOS .........80
FIGURA 119 – MÓDULO PARÁMETROS S DE ACOPLAMIENTO DE ENTRADAS DEL BEAMFORMER .....81
FIGURA 120 – MÓDULO PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 1 DEL BEAMFORMER ................81
FIGURA 121 – MÓDULO PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 2 DEL BEAMFORMER ................81
FIGURA 122 – MÓDULO PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 3 DEL BEAMFORMER ................82
FIGURA 123 – MÓDULO PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 4 DEL BEAMFORMER ................82
FIGURA 124 – FASES PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 1 DEL BEAMFORMER ...................82
FIGURA 125 – FASES PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 2 DEL BEAMFORMER ...................83
FIGURA 126 – FASES PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 3 DEL BEAMFORMER ...................83
FIGURA 127 – FASES PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 4 DEL BEAMFORMER ...................83
FIGURA 128 – DETALLE SALIDA PUERTO 5................................................................85
FIGURA 129 – CABLES ......................................................................................87
FIGURA 130 – COMPARACIÓN MÓDULOS DE LOS CABLES ...............................................87
FIGURA 131 – COMPARACIÓN FASES DE LOS CABLES ...................................................87
FIGURA 132 – PATRÓN POLAR PUERTO 1 SIMULADO EN 2.3GHZ ......................................89
FIGURA 133 – PATRÓN POLAR PUERTO 2 SIMULADO EN 2.3GHZ ......................................89
FIGURA 134 – PATRÓN POLAR PUERTO 3 SIMULADO EN 2.3GHZ ......................................90
FIGURA 135 – PATRÓN POLAR PUERTO 4 SIMULADO EN 2.3GHZ ......................................90
FIGURA 136 – PATRÓN POLAR COMPLETO SIMULADO EN 2.3GHZ .....................................90
FIGURA 137 – PATRÓN 3D PUERTO 1 SIMULADO EN 2.3GHZ .........................................91
FIGURA 138 – PATRÓN 3D PUERTO 2 SIMULADO EN 2.3GHZ .........................................91
FIGURA 139 – PATRÓN 3D PUERTO 3 SIMULADO EN 2.3GHZ .........................................91
FIGURA 140 – PATRÓN 3D PUERTO 4 SIMULADO EN 2.3GHZ .........................................92
FIGURA 141 – PATRÓN POLAR PUERTO 1 SIMULADO EN 2.4GHZ ......................................92
FIGURA 142 – PATRÓN POLAR PUERTO 2 SIMULADO EN 2.4GHZ ......................................92
FIGURA 143 – PATRÓN POLAR PUERTO 3 SIMULADO EN 2.4GHZ ......................................93
FIGURA 144 – PATRÓN POLAR PUERTO 4 SIMULADO EN 2.4GHZ ......................................93
FIGURA 145 – PATRÓN POLAR COMPLETO SIMULADO EN 2.4GHZ .....................................93
FIGURA 146 – PATRÓN 3D PUERTO 1 SIMULADO EN 2.4GHZ .........................................94
FIGURA 147 – PATRÓN 3D PUERTO 2 SIMULADO EN 2.4GHZ .........................................94
FIGURA 148 – PATRÓN 3D PUERTO 3 SIMULADO EN 2.4GHZ .........................................94
FIGURA 149 – PATRÓN 3D PUERTO 4 SIMULADO EN 2.4GHZ .........................................95
FIGURA 150 – PATRÓN POLAR PUERTO 1 SIMULADO EN 2.5GHZ ......................................95
FIGURA 151 – PATRÓN POLAR PUERTO 2 SIMULADO EN 2.5GHZ ......................................95
FIGURA 152 – PATRÓN POLAR PUERTO 3 SIMULADO EN 2.5GHZ ......................................96
FIGURA 153 – PATRÓN POLAR PUERTO 4 SIMULADO EN 2.5GHZ ......................................96
FIGURA 154 – PATRÓN POLAR COMPLETO SIMULADO EN 2.5GHZ .....................................96
FIGURA 155 – PATRÓN 3D PUERTO 1 SIMULADO EN 2.5GHZ .........................................97
FIGURA 156 – PATRÓN 3D PUERTO 2 SIMULADO EN 2.5GHZ .........................................97
FIGURA 157 – PATRÓN 3D PUERTO 3 SIMULADO EN 2.5GHZ .........................................97
FIGURA 158 – PATRÓN 3D PUERTO 4 SIMULADO EN 2.5GHZ .........................................98
FIGURA 159 – SISTEMA COMPLETO ........................................................................99
FIGURA 160 – MEDICIÓN DEL SISTEMA: DISPOSICIÓN DE LOS EQUIPOS EN LA MEDICIÓN .........99
FIGURA 161 – MEDICIÓN DEL SISTEMA: VARIACIÓN DEL ÁNGULO ................................... 100
FIGURA 162 – PATRÓN POLAR PUERTO 1 MEDIDO EN 2.3GHZ ...................................... 100
FIGURA 163 – PATRÓN POLAR PUERTO 2 MEDIDO EN 2.3GHZ ...................................... 100
FIGURA 164 – PATRÓN POLAR PUERTO 3 MEDIDO EN 2.3GHZ ...................................... 101
FIGURA 165 – PATRÓN POLAR PUERTO 4 MEDIDO EN 2.3GHZ ...................................... 101
FIGURA 166 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 1 MEDIDO EN 2.3GHZ ............................... 101
FIGURA 167 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 2 MEDIDO EN 2.3GHZ ............................... 102
FIGURA 168 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 3 MEDIDO EN 2.3GHZ ............................... 102
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FIGURA 169 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 4 MEDIDO EN 2.3GHZ ............................... 102
FIGURA 170 – PATRÓN POLAR PUERTO 1 MEDIDO EN 2.4GHZ ...................................... 103
FIGURA 171 – PATRÓN POLAR PUERTO 2 MEDIDO EN 2.4GHZ ...................................... 103
FIGURA 172 – PATRÓN POLAR PUERTO 3 MEDIDO EN 2.4GHZ ...................................... 103
FIGURA 173 – PATRÓN POLAR PUERTO 4 MEDIDO EN 2.4GHZ ...................................... 104
FIGURA 174 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 1 MEDIDO EN 2.4GHZ ............................... 104
FIGURA 175 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 2 MEDIDO EN 2.4GHZ ............................... 104
FIGURA 176 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 3 MEDIDO EN 2.4GHZ ............................... 105
FIGURA 177 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 4 MEDIDO EN 2.4GHZ ............................... 105
FIGURA 178 – PATRÓN POLAR PUERTO 1 MEDIDO EN 2.5GHZ ...................................... 105
FIGURA 179 – PATRÓN POLAR PUERTO 2 MEDIDO EN 2.5GHZ ...................................... 106
FIGURA 180 – PATRÓN POLAR PUERTO 3 MEDIDO EN 2.5GHZ ...................................... 106
FIGURA 181 – PATRÓN POLAR PUERTO 4 MEDIDO EN 2.5GHZ ...................................... 106
FIGURA 182 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 1 MEDIDO EN 2.5GHZ ............................... 107
FIGURA 183 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 2 MEDIDO EN 2.5GHZ ............................... 107
FIGURA 184 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 3 MEDIDO EN 2.5GHZ ............................... 107
FIGURA 185 – PATRÓN CARTESIANO PUERTO 4 MEDIDO EN 2.5GHZ ............................... 108
FIGURA 186 – PATRÓN POLAR COMPLETO MEDIDO EN 2.3GHZ ...................................... 108
FIGURA 187 – PATRÓN POLAR COMPLETO MEDIDO EN 2.4GHZ ...................................... 109
FIGURA 188 – PATRÓN POLAR COMPLETO MEDIDO EN 2.5GHZ ...................................... 109
FIGURA 189 – COMPARACIÓN DE PATRONES SIMULADOS Y MEDIDOS EN 2.3GHZ ................ 110
FIGURA 190 – COMPARACIÓN DE PATRONES SIMULADOS Y MEDIDOS EN 2.4GHZ ................ 111
FIGURA 191 – COMPARACIÓN DE PATRONES SIMULADOS Y MEDIDOS EN 2.4GHZ ................ 111
FIGURA 192 – DIAGRAMA DEL SISTEMA INTEGRADO .................................................. 115
FIGURA 193 – MÓDULOS PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 1 DEL SEGUNDO SISTEMA ...... 115
FIGURA 194 – FASES PARÁMETROS S SALIDAS DEL PUERTO 1 DEL SEGUNDO SISTEMA ........... 115
FIGURA 195 – PATRÓN 3D PUERTO 1 SIMULADO EN 2.3GHZ ....................................... 116
FIGURA 196 – PATRÓN 3D PUERTO 2 SIMULADO EN 2.3GHZ ....................................... 116
FIGURA 197 – PATRÓN 3D PUERTO 3 SIMULADO EN 2.3GHZ ....................................... 116
FIGURA 198 – PATRÓN 3D PUERTO 4 SIMULADO EN 2.3GHZ ....................................... 117
FIGURA 199 – PATRÓN POLAR COMPLETO SIMULADO EN 2.3GHZ ................................... 117
FIGURA 200 – PATRÓN 3D PUERTO 1 SIMULADO EN 2.4GHZ ....................................... 117
FIGURA 201 – PATRÓN 3D PUERTO 2 SIMULADO EN 2.4GHZ ....................................... 118
FIGURA 202 – PATRÓN 3D PUERTO 3 SIMULADO EN 2.4GHZ ....................................... 118
FIGURA 203 – PATRÓN 3D PUERTO 4 SIMULADO EN 2.4GHZ ....................................... 118
FIGURA 204 – PATRÓN POLAR COMPLETO SIMULADO EN 2.4GHZ ................................... 119
FIGURA 205 – PATRÓN 3D PUERTO 1 SIMULADO EN 2.5GHZ ....................................... 119
FIGURA 206 – PATRÓN 3D PUERTO 2 SIMULADO EN 2.5GHZ ....................................... 119
FIGURA 207 – PATRÓN 3D PUERTO 3 SIMULADO EN 2.5GHZ ....................................... 120
FIGURA 208 – PATRÓN 3D PUERTO 4 SIMULADO EN 2.5GHZ ....................................... 120
FIGURA 209 – PATRÓN POLAR COMPLETO SIMULADO EN 2.5GHZ ................................... 120
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Resumen
En el siguiente trabajo se desarrolla el diseño de un beamformer
ortogonal de 4 x 4 y sus respectivas antenas de tipo patch en la banda de
2.4GHz con un ancho de banda de entre 100 y 200MHz para ser utilizadas
en la transmisión y recepción de sistemas Wimax fijos.
La motivación del uso de este tipo de diseño surge de la saturación
de recursos como la multiplexación en tiempo, frecuencia y código. El
beamforming ortogonal ofrece la posibilidad de multiplexar espacialmente lo
que multiplicaría la cantidad de comunicaciones simultáneas, también
permite realizar trackeo de un usuario, suma de haces y cualquier
aplicación que requiera una transformada rápida de Fourier.
El trabajo se desarrolla de la siguiente manera:
En el primer capítulo se realiza una breve descripción sobre el
software de simulación utilizado, se indica el tipo de modelado que este
realiza y como trabaja, ya que el tipo y forma de simulación tiene una
influencia muy grande sobre el diseño del sistema.
En el segundo capítulo se presentan algunos conceptos generales
sobre antenas. También se indican los principios de funcionamiento de las
antenas patch, seguidos de dos técnicas que se utilizan para incrementar el
escaso ancho de banda de la misma. Por último se desarrolla el diseño,
simulación, implementación y medición de una antena patch y un arreglo de
4 de estas antenas, que será la etapa final del sistema.
En el tercer capítulo se realiza un pequeño resumen sobre la teoría de
Beamformers, para luego continuar con el diseño e implementación de sus
distintas partes, tales como híbridos de cuadratura, crossovers y phase
shifters. Sobre el final se presenta la simulación y medición del beamformer
implementado.
En el cuarto capítulo se presenta la realización y medición de los
cables en fase fabricados para el sistema a implementar.
En el quinto capítulo se desarrolla el sistema completo compuesto por
el beamformer, cables y arreglo. Se presenta primero los patrones hallados
mediante simulación considerando cables ideales y luego las mediciones
realizadas sobre el sistema real.
En el último capítulo se incluyen las conclusiones del trabajo
realizado, el diseño y simulación de un sistema integrado de arreglo y
beamformer y futuros trabajos.
En posteriores apartados se anexan la hoja de datos de la placa
utilizada, tablas con los valores de medición de patrones y un CD que
contiene simulaciones animadas de distintas partes del sistema para una
mayor comprensión del funcionamiento del mismo.
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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1.
Herramientas
de
simulación
electromagnéticos (EM). Diseño y
circuitos microondas.
de
campos
modelado de
Los simuladores EM nos permiten observar el comportamiento de los
dispositivos desde adentro. La simulación EM divide el dispositivo en
pequeñas celdas, celdas más pequeñas proveen mejor definición a costa de
incrementar el tiempo de procesamiento. Debido a que los campos EM están
representados por ecuaciones integrales o diferenciales, las soluciones
(incluso en forma lineal) pueden requerir grandes cantidades de tiempo de
procesamiento.
Los simuladores pueden dividirse en tres grandes grupos: 2D, 2,5D y
3D, siendo estos últimos los mejores dado que realizan la discretización de
todo el volumen (incluyendo el medio que lo rodea) proporcionando valores
muy aproximados del comportamiento final real del dispositivo a cambio de
un gran tiempo de procesamiento y generalmente requieren de cierta
habilidad artística del usuario [1].
1.1. Aspectos generales sobre el software de modelación
numérica
Para comenzar, el dominio computacional de los métodos numéricos
puede ser dividido en dos clases:
Métodos basados en volumen y
Métodos de integración de superficie.
Figura 1 – Aspectos generales de los métodos basados en volumen como FEM o
FDTD. En FDTD se utilizan células cúbicas, mientras que FEM utiliza tetraedros.
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Los métodos basados en volumen requieren una discretización del
volumen, el dominio computacional, que incluye la estructura del dispositivo
bajo testeo, como así también el espacio que lo rodea tal y como se
muestra en la Figura 1. Los métodos de integración superficial realizan una
segmentación de las interfaces de las estructuras geométricas del material y
calculan las fuentes de campos electromagnéticos en estas superficies como
se muestra en la Figura 2.
Para restringir el tamaño del dominio computacional cuando se
utilizan métodos basados en volumen se realiza una truncación del espacio.
En los bordes del volumen se aplican condiciones de borde especiales para
simular la transición al espacio libre [2].
Figura 2 - Aspectos generales de los métodos de integración superficial como MoM.
Las unidades de celdas usualmente tienen la forma de un elemento tipo línea,
triangulo o cuadrilátero.
Como ejemplo la Figura 1 muestra un filtro microstrip en un dominio
computacional de un método basado en volumen. El modelo consiste de
pistas metálicas, una capa de sustrato y aire sobre la estructura. Para poder
calcular los parámetros S, los puertos son definidos donde las líneas de
microstrip terminan, es decir, la superficie externa del dominio
computacional. El volumen completo es discretizado en tres dimensiones y
dividido en celdas eléctricamente pequeñas con material homogéneo. La
forma de las celdas puede ser simple como un cubo o más compleja como
tetraedros para poder alcanzar una aproximación más flexible de
estructuras curvas. Dentro de las celdas las cantidades de campo
desconocidas son definidas y calculadas durante el proceso de solución
numérica. Dependiendo del método estos pueden ser valores de campo EM
eléctrico y magnético o potenciales electromagnéticos.
Con respecto a los métodos de proceso de solución numérica estos
pueden ser divididos en:
Métodos de dominio frecuencial y
Métodos de dominio temporal
Los métodos de dominio frecuencial calculan la solución en forma
independiente para cada frecuencia. Los métodos de dominio temporal
calculan la respuesta temporal de la estructura paso a paso hasta que se
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
alcanza un estado estacionario. De esta respuesta temporal se calcula la
respuesta frecuencial mediante la transformada de Fourier [2].
En la siguiente lista se da una pequeña reseña sobre las tareas que
se realizan durante la generación del modelo:
Definiciones generales: En esta etapa se definen diferentes capas
o componentes para organizar los datos. Es más, se seleccionan las
unidades de las cantidades físicas, p.ej. longitudes en mm, frecuencia en
GHz.
Geometría: Se definen las formas geométricas de los objetos.
Existen tres acercamientos generales que pueden ser combinados: La
geometría se introduce en forma interactiva mediante una interfaz gráfica,
los datos geométricos son importados de un archivo CAD, o los objetos son
descriptos por un macro lenguaje.
Propiedades de los materiales: Se les asignan las propiedades
dieléctricas a los objetos que fueron modelados en el primer paso. Los
materiales son seleccionados de una base de datos de materiales usados
comúnmente o nuevos materiales son definidos especificando las
propiedades dieléctricas y magnéticas.
Excitación: Se definen puertos para poder excitar la estructura y
evaluar las cantidades circuitales como parámetros S, impedancias, voltajes
y corrientes.
Condiciones de borde: En el borde externo del volumen de
simulación diferentes tipos de condiciones de borde son aplicadas para
representar el espacio libre, paredes eléctricas y magnéticas o planos de
simetría.
Meshing: La estructura es discretizada en pequeños elementos con
propiedades del material homogénea. La discretización del modelo es un
paso crucial dado que afecta el esfuerzo numérico requerido y la precisión
de la solución.
Parámetros de simulación: Parámetros adicionales son definidos
para controlar el proceso de solución, p. ej., el tipo de solver a usar,
definición de un criterio de finalización para los algoritmos de pasos
temporales, precisión deseada, filtrado AR, excitación multipuerto, número
de modos por puerto.
1.2. Puertos (Ports)
Los puertos son usados para excitar la estructura pasiva y calcular las
cantidades relacionados con el circuito como, por ejemplo, los parámetros
S, impedancia de entrada, corriente y tensión. En la mayoría de los
simuladores se dispone de los siguientes tipos de puertos:
Puertos de guía de onda
Excitación por onda plana
Puertos concentrados
Una estructura puede tener más de un puerto. En un modelo
multipuerto el software puede calcular automáticamente todos los
elementos de la matriz de parámetros S que describe la interacción entre
los diferentes puertos. Dependiendo del método numérico aplicado esto se
realiza mediante una serie de simulaciones donde solo se excita un puerto
por vez y el resto se encuentran adaptados por su impedancia de puerto
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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(ej. FDTD) Otros métodos (ej. MoM) calculan la matriz S en una sola
simulación.
Otra forma de utilizar los múltiples puertos es la excitación
simultánea de más de un puerto. Esto puede ser usado para excitar un
arreglo de antenas sin modelar la red de alimentación explícitamente [2].
A continuación se detallan los dos tipos de puertos que se utilizaron
durante el proyecto.
1.2.1. Puertos guía de onda
Los componentes de alta frecuencia son usualmente alimentados por
una guía de ondas, como por ejemplo, una línea microstrip, coplanar o
coaxial. En el modelo de simulación se extiende la línea de alimentación
hasta el borde del espacio computacional, tal y como se muestra en la
Figura 3a–c. En el borde se define un puerto de guía de onda que simula
una línea de transmisión semi-infinita que es alimentada por una onda que
se propaga hacia adelante. En el caso de un proceso de solución en el
dominio tiempo (ej. FDTD), la onda penetra en el espacio computacional,
interactúa con la estructura y una fracción de la potencia incidente retorna a
través del puerto. De las señales de entrada y salida se calculan los
parámetros S.
Para excitar la estructura, el patrón de la onda incidente en la línea
debe determinarse. Dado que siempre hay más de un modo que puede
propagarse a través de la línea, el modo de puerto debe ser especificado
por el usuario. En la mayoría de las aplicaciones técnicas, el modo
fundamental es el utilizado, ej. la onda TEM en un coaxial o el modo TE10 en
una guía de ondas rectangular. El patrón de campo 2D en la sección
transversal de la línea es calculado antes de realizar el análisis completo en
3D, mediante un calculador de 2D especial. Como ejemplo el patrón de
campo 2D en un puerto del modo cuasi-TEM de una línea microstrip se
muestra en la Figura 3c.
El tamaño del plano 2D donde la onda incidente penetra la estructura
es un punto crucial. Si solo el modo fundamental es de interés, el plano 2D
debe ser lo suficientemente grande para permitir que las ondas incidentes
penetren en la estructura sin ser distorsionadas en los bordes del área del
puerto. Por otro lado, si el plano 2D se incrementa, modos de orden mayor
pueden propagarse. El tamaño del área del puerto depende de la geometría
de la línea, la permitividad del sustrato como así también de la frecuencia.
Para la mayoría de los problemas prácticos, un punto razonable de
comienzo es de 4 a 10 veces el alto del sustrato y de 4 a 10 veces el ancho
de la línea de transmisión.
En las discontinuidades aparecen los modos de orden mayor. Si los
modos de orden mayor son modos no-propagantes, estos decaen
rápidamente a medida que se propagan a través de la línea. La distancia
entre el puerto y la discontinuidad debe ser suficiente para permitir que los
modos no-propagantes decaigan. Si los modos de orden mayor son
esenciales para la operación del dispositivo, estos modos deben ser
considerados en el análisis y los parámetros S asociados con estos modos
deben ser calculados [2].
En el CD adjunto, en la carpeta puertos, se encuentran dos
simulaciones realizadas, en ellas se puede ver la variación del patrón de
campo de la sección transversal del puerto, tanto del eléctrico como del
magnético.
19
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 3 – Puerto de guía de ondas: (a) vista superior, (b) vista de perspectiva y
(c) patrón de campo (modo de puerto) de un onda incidente en vista lateral
1.2.2. Puertos Concentrados
Los puertos concentrados pueden ser usados dentro del espacio
computacional para excitar la estructura. Son usualmente colocados entre
dos partes conductoras del modelo y actúan como fuentes de corriente o
voltaje con una impedancia característica definida. La Figura 4 muestra un
puerto concentrado que excita un dipolo.
20
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 4 – Puerto concentrado excitando un dipolo
Los puertos concentrados pueden ser usados dentro del espacio
computacional y son más flexibles que los puertos del tipo guía de onda que
son usualmente definidos al borde del dominio del problema. Es más, no
requieren una ampliación de la discretización de la estructura de
alimentación. Es por esto que este tipo de puertos proveen un buen punto
de partida para modelos de simulación simples y pueden ser reemplazados
por puertos de guía de ondas si se requieren modelos más exactos o una
separación de modos.
Los puertos concentrados están limitados a estructuras de alimentación que
son pequeñas comparadas con la longitud de onda. Ellos permiten el cálculo
de los parámetros S mediante la evaluación de la tensión y corriente en el
puerto [2].
1.3. Mallado (Meshing)
La subdivisión de objetos geométricos en elementos pequeños y
simples es llamada meshing, discretización o mallado. La discretización del
dominio computacional es una tarea difícil. Afecta en gran medida el
esfuerzo computacional y la precisión de la solución. Afortunadamente las
herramientas modernas de simulación incluyen algoritmos de generación de
mesh con diferentes niveles de automatización.
Actualmente el procedimiento de meshing estándar es una
generación automática de mesh donde el usuario tiene control del proceso
de meshing y puede agregar restricciones como:
Establecer un criterio del tamaño de elemento con respecto a
la longitud de onda
Definición de un tamaño máximo y mínimo de elemento
Establecer los puntos de discretización manualmente
Identificar regiones donde la densidad de mesh debe ser mayor
debido esperables gradientes de campo.
Los métodos basados en volumen como FEM y FDTD requieren la
discretización de la totalidad del volumen computacional. Los métodos de
integración, como MoM, discretizan la superficie de los objetos. La Figura 5
muestra la discretización de una esfera por diferentes métodos numéricos.
21
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En la Figura 5a se muestra la forma geométrica de una esfera sólida.
El FEM mesh de la Figura 5b está formado por tetraedros que son muy
flexibles y resultan en una representación suave de la superficie de la
esfera. Otros poliedros como pentaedros o hexaedros pueden ser
combinados con los tetraedros. El mesh tipo escalera de FDTD de Figura 5c
consiste de celdas ortogonales que son menos flexibles que los tetraedros.
Por lo tanto, se necesitan más celdas para representar la esfera. Para FDTD
existen técnicas más avanzadas de meshing con celdas conformales y
parcialmente llenas que permiten una mejor representación del objeto
geométrico y, por lo tanto, requieren menos celdas. La desventaja de estas
técnicas nuevas es que incrementan el peso computacional de la simulación.
Si las técnicas llevan a una ganancia en la performance general o no,
depende del modelo a ser simulado.
El mesh en MoM es una superficie donde la superficie del objeto es
aproximada por triángulos y cuadriláteros En la Figura 5d algunos triángulos
han sido removidos para visualizar el espacio hueco del interior de la esfera.
Figura 5 – Meshing de una esfera con diferentes métodos: (a) forma geométrica de
la esfera; meshing con (b) tetraedros (FEM), (c) celdas ortogonales (FDTD), y (d)
triángulos (MoM)
Un concepto interesante y usado ampliamente es el meshing adaptivo
donde el mesh es optimizado en una secuencia de corridas de simulación.
Inicialmente se genera una discretización gruesa y se calculan los
parámetros S para una frecuencia determinada. Basándose en esta primera
solución aproximada, el generador de mesh refina las regiones con grandes
gradientes de campo y objetos geométricos detallados. Se realiza una
nueva simulación con el mesh refinado y se evalúa la diferencia entre los
parámetros S de ambas simulaciones. Se itera este proceso adaptivo hasta
que la diferencia se encuentre por debajo de un nivel definido por el usuario
o se alcanzo el máximo de simulaciones fijadas.
22
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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La discretización espacial debe ser lo suficiente mente pequeña para
representar de manera correcta la interfaz entre materiales.
Aunque el mesh puede ser generado totalmente en forma automática
por el software, el usuario debe observar el mesh y fijarse si este cumple
las siguientes reglas:
La discretización debe ser suave, es decir, la discretización en
una dirección no debe variar rápidamente
La proporción altura-ancho-profundidad en la diferentes
direcciones no debe ser muy alta
En las regiones con grandes gradientes de campo el mesh debe
ser refinado para proveer un muestreo suficiente de los
campos de variación rápida
El máximo tamaño de celda debe ser una fracción de la
longitud de onda (típicamente λ/10)
El usuario experimentado que anticipa la distribución de campos puede
poner restricciones que aceleran la convergencia del proceso de adaptación
de mesh [2].
1.4. Herramienta de simulación elegida
Para nuestro trabajo se utilizó el simulador CST Microwave Studio que
está incluido en el paquete CST Studio Suite 2006. Este simulador ofrece un
amplio rango de tipos de solucionadores tanto en tiempo como en
frecuencia, mesh en volumen (cartesianas, tetraedros) y superficies, con lo
cual implementa varios métodos de los anteriormente descriptos, ofreciendo
la flexibilidad de seleccionar el tipo motor de simulación que mayormente se
adapte al problema a simular.
Estos motores son: “Transient Domain”, “Eigenmode”, “Frecuency
Domain”, “Resonant: Fast S-Parameter, Fields” y “Integral Equation Solver”
cada uno ofreciendo distintas herramientas y capacidades en su dominio.
En nuestro caso se utilizó el “Transient Solver” que es uno de los
motores más flexibles que posee el software, ya que se pueden realizar
simulaciones de con grandes anchos de banda con la resolución en
frecuencia deseada. También permite obtener varios patrones de campo (E,
M, radiación, etc.) en la misma simulación sin incrementar el peso
computacional.
También se utilizó el motor en frecuencia para validar las
simulaciones realizadas en el transitorio, y dado que los resultados eran
similares se optó por seguir en el dominio tiempo.
Esta herramienta, aparte de calcular los parámetros esenciales
(parámetros S, balance, energía, pérdidas) nos permite realizar
visualizaciones 3D de los campos Eléctricos, Magnéticos, Patrones de
radiación, Flujo de potencia, Corrientes superficiales, Modo de propagación
en los puertos, Densidad de corriente, Densidad de pérdida de potencia,
Densidad de energía eléctrica y Densidad de energía magnética. Además se
puede observar la variación de varios campos en función del tiempo, esta
herramienta fue muy útil para entender cabalmente el funcionamiento de
ciertos dispositivas mediante la evaluación de la interacción de los campos
en él.
23
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2. Antenas
2.1. Introducción
Las antenas microstrip se hicieron muy populares en los años 70
principalmente para aplicaciones espaciales [3]. Son antenas con bajo perfil
que se utilizan principalmente en aplicaciones de alta performance en
aviones, naves espaciales, satélites y misiles, donde el tamaño, peso, costo,
performance, facilidad de instalación, y perfil aerodinámico son los factores
a tener en cuenta. Por otro lado, las antenas microstrip tienen ciertas
desventajas. Poseen poca eficiencia, baja potencia, alto Q, poca pureza de
polarización, pobre performance de escaneo, radiación de alimentación
espuria y anchos de banda muy angostos.
Las antenas microstrip se clasifican en tres tipos principales: antenas
microstrip patch, antenas microstrip de onda viajera y antenas microstrip
slot. La estructura física de la antena microstrip es muy sencilla y pueden
tomar la forma y tamaño de cualquier figura geométrica. La Figura 6
muestra algunas de las formas de elementos de antenas microstrip tipo
patch.
Figura 6 – Ejemplos formas de los elementos de antenas patch
Sin embargo, los patch rectangulares y circulares son los más
favorables debido a la facilidad de su análisis y fabricación, y sus atractivas
características de radiación y bajo nivel de cross-polarización.
Típicamente, las antenas microstrip están formadas por un patch conductor
de alguna forma geométrica sobre un substrato dieléctrico y un plano de
tierra. Existen varios métodos de alimentación de la antena, en la Figura 7
se muestran los cuatro tipos más comunes de alimentación: línea
microstrip, punta de coaxil, acoplamiento por apertura y proximidad.
Existen otras técnicas de alimentación, que se verán más adelante en
detalle, que cumplen propósitos especiales, como aumentar el ancho de
banda o VSWR de la antena, adaptación para antenas multibanda, etc.
24
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 7 – Ejemplos alimentación de antenas patch
2.2. Parámetros de Antenas
A continuación se definen varios parámetros que son necesarios para
describir la performance de una antena. Aunque estos parámetros pueden
estar interrelacionados, no siempre se especifican todos los parámetros y
no es necesario especificarlos todos para una descripción completa de la
performance de la antena. Una antena se elige para una aplicación en
particular de acuerdo a sus características eléctricas y físicas.
Una antena puede ser caracterizada por los siguientes elementos (no
todos se aplican a todas las antenas):
1.
Resistencia de radiación
2.
Campos cercanos y lejanos
3.
Patrón de radiación
4.
Ancho de haz y ganancia del lóbulo principal
25
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Lóbulos laterales
Magnitud del lóbulo trasero
Ancho de banda
Apertura
Factor de corrección de la antena
Polarización del campo eléctrico que transmite o recibe
Potencia que puede manejar en el caso de ser una antena
transmisora
Típicamente, las características de las antenas son medidas en dos
planos principales que se conocen como los planos acimutal y de elevación,
que también pueden ser considerados como los planos horizontal y vertical
respectivamente, para antenas en tierra. Por convención, el ángulo en el
plano acimutal se nota con la letra griega phi, Φ, mientras que la letra
griega theta, θ, representa el ángulo de elevación.
A continuación se explican estos parámetros.
2.2.1. Resistencia de radiación
Es una resistencia ideal que agregada a circuito resonante
equivalente a la antena, disipa la misma potencia calórica que la antena
radia realmente en el espacio. Esta alcanza un valor máximo cuando nos
hallamos en un punto de resonancia.
No toda la potencia suministrada a la antena se irradia. Parte de ella
se convierte en calor y se disipa. La resistencia de radiación es un poco
"irreal", en cuanto a que no puede ser medida directamente. La resistencia
de radiación es una resistencia de la antena en CA y es igual a la relación de
la potencia radiada por la antena al cuadrado de la corriente en su punto de
alimentación. Matemáticamente, la resistencia de radiación es:
Donde:
Resistencia de radiación (Ohms)
P = Potencia radiada por la antena (Watts)
i = Corriente de la antena en el punto de alimentación
(Amperes)
La resistencia de radiación es la resistencia que, si reemplazara la
antena, disiparía exactamente la misma cantidad de potencia de la que
irradia la antena.
La eficiencia de antena es la relación de la potencia radiada por una
antena a la suma de la potencia radiada y la potencia disipada o la relación
de la potencia radiada y la potencia disipada o la relación de la potencia
radiada por la antena con la potencia total de entrada.
2.2.2. Campos cercanos y lejanos
El espacio que rodea una antena se divide en tres regiones: el campo
reactivo cercano, el campo irradiante cercano (Fresnell) y el campo lejano
(Fraunhofer). Ver Figura 8.
Región de campo reactivo cercano: La región que inmediatamente
rodea a la antena donde los patrones de campos cambian rápidamente con
la distancia e irradian tanto energía útil como energía reactiva que oscila
desde y hacia la antena [3].
Región de campo cercano (Fresnell) Es la región que continúa a la
reactiva, donde solo la energía irradiada se encuentra presente, resultando
26
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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en una variación de la potencia con la dirección que es dependiente de la
distancia. Estas regiones son convencionalmente divididas en un radio R,
dentro del cual se encuentra la zona conocida como campo cercano o región
de Fresnell [3].
Región de campo lejano (Fraunhofer): Esta región se encuentra más
allá de la región de campo cercano, donde los frentes de onda se parecen a
ondas esféricas, de manera tal que solo la potencia irradiada en una
dirección particular es de importancia. En la mayoría de las aplicaciones, la
potencia irradiada por una antena será la medida de esta zona [3].
Figura 8 – Definición regiones de campos
2.2.3. Patrón de Radiación
El patrón de radiación es una característica muy importante de la
antena. Facilita el entendimiento de características esenciales que no
pueden ser alcanzadas mediante la descripción textual de la antena.
El patrón de radiación depende de la clase de antena, sus
características eléctricas y sus dimensiones físicas. Se mide a una distancia
constante en el campo lejano de la antena y se generalmente se grafica en
función de la potencia relativa, es decir se normaliza a la potencia máxima
irradiada (puede ser lineal o dB) [4].
La radiación se mide generalmente en ambos planos y puede
presentarse en coordenadas cartesianas o polares. En la Figura 9 y en la
Figura 10 se muestran ambos tipos de gráficos.
También pueden ser presentados en función de la directividad, que es
un escalamiento de la ganancia. El patrón de radiación nos indica en qué
medida la antena irradia más hacia un lado que otro y con qué potencia lo
haría (en el caso transmisión) y hacia qué lado es más receptiva y con qué
ganancia (en el caso recepción).
27
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 9 – Definición patrón de radiación en coordenadas cartesianas
Figura 10 – Definición patrón de radiación en coordenadas polares
2.2.4. Ancho de haz y ganancia del lóbulo principal
El lóbulo principal de la antena se encuentra en la dirección
máxima radiación. Las características de una antena, tales como, ancho
haz y ganancia, están asociadas al lóbulo principal solamente. La Figura
da una idea del lóbulo principal, su dirección máxima y ancho de haz de
patrón polar de potencia típico.
de
de
11
un
28
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Figura 11 – Definición lóbulo principal y ancho de haz de un patrón
El ancho del haz solamente está relacionado con el haz principal de la
antena y no con los lóbulos laterales y, en general, es inversamente
proporcional a su tamaño físico. En otras palabras, cuanto más grande sea
la antena, más pequeño será el ancho del haz para la frecuencia
correspondiente. El plano que contenga la dimensión mayor tendrá el ancho
de haz más fino si la antena no posee las mismas dimensiones en todos los
planos
El ancho de haz de una antena usualmente se define de dos maneras.
La definición más conocida es la de 3dB o potencia mitad de haz. Sin
embargo, para antenas con haces muy finos, la definición por 10dB también
puede ser aplicada. La potencia mitad o 3dB de haz (HPBW, según sus
siglas en inglés) de una antena se toma como el ancho en los puntos a
ambos lados del haz principal donde la potencia irradiada es la mitad de su
valor máximo, y se mide en grados o radianes. En la Figura 5 se muestran
los puntos de potencia mitad donde se puede obtener el ancho de haz de
3dB.
Aunque los términos directividad o ganancia se usan frecuentemente
de manera indistinta, no poseen el mismo significado. La ganancia indica la
eficiencia de la antena, mientras que la directividad no [4]. Para ser más
claros, la ganancia de una antena es el producto de la directividad por la
eficiencia. La definición de la IEEE de ganancia de una antena relaciona la
potencia irradiada por la antena con la irradiada por una antena isotrópica
(antena que irradia de manera homogénea en todas las direcciones) y se
indica como una relación lineal o en decibeles [3].
La ganancia G se define en forma lineal como:
La ganancia GdB expresada en decibeles es:
La directividad de una antena es definida como “la proporción de la
intensidad de radiación en una dirección dada con respecto a la intensidad
de radiación promedio sobre todas las direcciones. La intensidad de
radiación promedio es igual a la potencia total irradiada por la antena
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dividida por 4 . Si la dirección no se especifica, se toma la dirección de
máxima intensidad de radiación” [3].
2.2.5. Lóbulos laterales
Los lóbulos laterales son, estrictamente hablando, cualquier de los
máximos indicados, por ejemplo, A, B, C, D, E en la Figura 12. Sin
embargo, debido a irregularidades del lóbulo principal del patrón de
radiación, puede pasar que pequeños picos (como el marcado como F en la
Figura 12) puedan ser confundidos como lóbulos laterales.
Figura 12 – Definición lóbulos laterales
Los lóbulos laterales son caracterizados por su nivel debajo del haz
principal y por su posición angular relativa a este. Aunque el nivel de
lóbulos laterales (SLL, siglas en inglés) se cita usualmente como una
cantidad positiva, es una cantidad negativa en decibeles debido a que el
patrón de radiación se plotea con la ganancia del haz principal en 0dB.
Aparte de los lóbulos laterales y el haz principal, existen casos donde
se producen múltiples máximos (Figura 13), que en inglés se los menciona
como grating lobes, la traducción exacta al castellano sería rejilla de
lóbulos. Para evitar los grating lobes el espaciado entre elementos debe ser
menor que una longitud de onda.
Figura 13 – Definición múltiples máximos
30
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
2.2.6. Magnitud del lóbulo trasero
La medida de la habilidad de una antena direccional para concentrar
el haz en la dirección requerida se conoce como relación atrás-adelante
(F/B). En términos lineales se determina por la relación de la potencia
máxima del haz principal con el lóbulo trasero y generalmente se expresa
en decibeles.
2.2.7. Ancho de banda
Se define como el rango de frecuencias dentro del cual la antena es
operativa, comúnmente se utiliza el VSWR para definir el ancho de banda,
los dos valores más utilizados son 2 y 1,5 (Figura 14). Otro método para
definir el ancho de banda consiste en presentar el rango de frecuencias
dentro del cual la ganancia de la antena se mantiene dentro de los 3dB
respecto a la ganancia de la frecuencia central (este coincide con el VSWR
de 2). Existen casos especiales donde el ancho de banda lo dictamina la
ubicación del haz, esto sucede en antenas MIMO, antenas inteligentes o
antenas adaptivas.
Figura 14 – Definición ancho de banda
2.2.8. Tamaño de apertura
El ancho del haz también se ve influenciado por el tamaño de
apertura de la antena. Generalmente, el ancho de haz se afina a medida
que la ganancia crece con un incremento en el tamaño de apertura a una
frecuencia dada. El tamaño de apertura puede ser definido de dos formas:
en términos de longitudes de onda, o en función de su tamaño físico, en
metros o pies.
2.2.9. Factor de corrección de la antena
El ACF (por sus siglas en inglés) es un parámetro de recepción que se
relaciona con la ganancia mediante:
Donde:
ξ es la impedancia del medio de propagación
R es la impedancia del sistema
λ es la longitud de onda
31
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2.2.10. Polarización del campo eléctrico que transmite o recibe
La polarización es otro factor importante que puede afectar el patrón
de radiación. La polarización de una antena es definida como la polarización
de la onda irradiada por la antena en una dirección dada. Sin embargo, se
considera como la polarización en la dirección de máxima ganancia cuando
la dirección no está establecida. La polarización puede ser clasificada en
lineal, circular, o elíptica.
En el caso de la polarización lineal, el campo eléctrico varía
sinusoidalmente en un plano.
Figura 15 – Definición de polarización vertical
Figura 16 – Definición de polarización horizontal
En la Figura 15 se observar una polarización vertical, mientras que en
la Figura 16 se observa una polarización horizontal.
2.2.11. Potencia que puede manejar en el caso de ser una antena
transmisora
Es la potencia que puede soportar en terminales la antena sin
producirle daños a la misma o la generación de frecuencias y lóbulos
laterales espurios.
2.3. Principios de Funcionamiento de las Antenas Patch
El funcionamiento cualitativo se basa en un efecto de resonancia,
similar en cierta forma al efecto de un dipolo. El planteamiento es el
siguiente: el radiador elemental en microstrip es un parche casi rectangular.
En la dirección longitudinal tiene aproximadamente una longitud λ/2 y en la
transversal ligeramente inferior. Puesto que la anchura de la línea de
alimentación es mucho más pequeña que la del parche supondremos que su
efecto es despreciable.
32
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Ahora tenemos una onda quasi-TEM que se propaga desde el
principio del patch hasta el final. Si se supone que en el plano perpendicular
a la dirección de propagación la variación del campo es nula, a ambos lados
del patch tendremos el mismo campo y por tanto no radian, pero al
principio y al final, los campos están desfasados media longitud de onda, se
comportan como una antena. En la Figura 17 se puede observar como la
mayor densidad de campo eléctrico (flechas verdes) se concentra en los
extremos de la antena.
El funcionamiento de esta antena está marcado por varios factores,
como es la separación entre conductores, cuanto más dieléctrico, más
eficiencia y cuanto más se parezca a 1 el ξ relativo del dieléctrico también.
El ancho del patch va a marcar la resistencia de radiación así como otros
factores tales como su eficiencia.
Figura 17 – Posición de concentración del campo eléctrico en un patch
Longitud:
Determina la frecuencia de resonancia
Ancho:
Determina la eficiencia de radiación
2.4. Antenas Patch Wideband
Se analizarán ahora dos métodos de aumentar el ancho de banda de
una antena patch.
El ancho de banda de una antena patch depende mayormente del εr
del dieléctrico, de la altura del mismo y de la red de alimentación de la
antena. Tomando en cuenta el εr del dieléctrico, el ancho de banda aumenta
a medida que el εr disminuye, siendo máximo para εr=1 (≈aire); en cuanto
a la altura del dieléctrico, a mayor altura mayor ancho de banda. ¿Por qué
entonces no se hacen las antenas con los εr más bajos y con alturas
grandes? Esto se debe a que la mayoría de las veces la antena debe estar
integrada en la misma placa que el resto del circuito para aprovechar al
máximo su bajo perfil, ahora bien, estos parámetros en las pistas producen
campos espurios, un incremento del ancho de pista, se excitan los modos
más altos y crece la cross-polarización, aparte se estaría irradiando desde
las pistas y no desde la antena propiamente dicha. La condición de
radiación:
Si esta ecuación se cumple las pistas anteriores a la antena irradiaran
gran parte de la energía destinada a la antena y la eficiencia decaerá.
33
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Existen técnicas para obtener anchos de banda más amplios, a
continuación se verán dos de ellas.
2.4.1. Sustrato Doble Capa
Consiste en la unión de dos capas de dieléctrico con una capa de
cobre entre ellas que se extiende
hasta la entrada de la antena.
De esta forma las pistas
tienen una altura de dieléctrico
óptima para su funcionamiento,
mientras que en la antena
tenemos una altura de dieléctrico
mayor que nos permite un mayor
ancho de banda.
Para realizar este tipo de
Figura 18 – Aumento por doble placa
antena se pueden utilizar dos
métodos (Figura 18 y Figura 19).
El primero permite un
aumento del ancho de banda del
2%, mientras que el segundo de
aproximadamente el 4%, si bien
todavía nos encontramos lejos de
lo que comúnmente se conoce
Figura 19 – Aumento por bloque
como wideband, esta técnica nos
permite aumentar el ancho de banda lo suficiente para ciertas aplicaciones
que quedan fuera del rango de las antenas patch comunes, o que requerían
dos antenas sintonizadas por separado para cumplir el ancho de banda
requerido, además reduce la cross-polarización. El principal limitante de
esta técnica es que la alimentación sigue teniendo un ancho de banda
pequeño (en el caso de que todo es integrado) y que el εr todavía es mayor
a 1, por lo menos 2,2.
2.4.2. Meandering Probe
Esta técnica consiste en la elevación de la antena en el aire por medio
de algún medio para sostenerla y la alimentación por medio de
acoplamiento (Ver Figura 21). De esta forma se obtiene no solo la altura
deseada para la antena, sino también que la constante dieléctrica debajo de
la misma sea lo más próxima a 1. Además este tipo de alimentación
incrementa el ancho de banda, la alimentación se comporta como un
circuito L-C de varias etapas, que al variar la frecuencia, sigue siendo
resonante en un ancho de banda mucho más amplio que el de las
alimentaciones comunes.
2.5. Antena de Evaluación
2.5.1. Diseño y simulación
Para la antena del proyecto se utilizó la técnica de Meandering Probe.
El diseño de la misma se basa en las técnicas comunes de diseño para las
antenas patch, en el caso del patch propiamente hablando, y de iteración
mediante simulaciones, en el caso de la alimentación.
En diseño del patch, propiamente hablando, es necesario considerar
los efectos de los campos en los bordes, que agregan una longitud eléctrica
ΔL en ambos extremos del patch (Ver Figura 20).
34
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Figura 20 – Longitud eléctrica del patch
Para calcular sus dimensiones se realiza el siguiente procedimiento:
Se calcula en ancho del patch [5]:
Donde
Se calcula ΔL:
Donde
Finalmente
Para nuestro caso, los valores obtenidos fueron:
35
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Por lo tanto la longitud del patch es:
Figura 21 – Dimensiones antenas
En la Figura 21 se pueden observar las dimensiones de la antena. La
altura del patch (h) fue fijada en 1cm, a partir de allí se procedió a variar un
parámetro por vez, primero el parámetro a y luego el parámetro b.
Figura 22 – Variación parámetro a
36
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Figura 23 – Variación parámetro b
Resultando los parámetros elegidos por iteración, los de a=0,5mm
(Figura 22) y una vez fijo a, se varió b, resultando como valor óptimo el de
b=24mm (Figura 23). El corrimiento de la frecuencia central (2,4GHz) se
solucionó variando el largo del patch hasta que fuera resonante a la
frecuencia deseada.
Este corrimiento en frecuencia se debe a que las ecuaciones de
diseño son aproximaciones y están formuladas para patchs que se
encuentran sobre el sustrato y no en el aire como es nuestro caso, por lo
que solo eran para aproximar el tamaño del mismo, los valores finales de W
y L fueron:
y
Figura 24 – ROE de la antena
Como se puede apreciar en la Figura 24 el ROE de la antena se
encuentra centrado a la frecuencia de 2.4GHz y con un valor muy cercano a
1. Se obtuvo un ancho de banda de 472MHz a ROE= 2, lo que significa un
19,66% de ancho de banda, muy superior al 5 o 7% que se puede obtener
con un patch común, y en nuestro rango de frecuencias de utilización nos
encontramos con ROE por debajo de 1,5. A continuación se observan los
patrones de radiación de la antena en el rango de frecuencias de utilización,
específicamente en 2.3GHz (Figura 25 y Figura 26), 2.4GHz (Figura 27 y
Figura 28) y 2.5GHz (Figura 29 y Figura 30) tanto en forma polar, como en
3D.
37
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Figura 25 – Patrón patch polar en 2.3GHz
Figura 26 – Patrón patch 3D en 2.3GHz
Figura 27 – Patrón patch polar en 2.4GHz
38
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Figura 28 – Patrón patch 3D en 2.4GHz
Figura 29 – Patrón patch polar en 2.5GHz
Figura 30 – Patrón patch 3D en 2.5GHz
Se obtuvo una ganancia estable con una pequeña variación de
8,42dB en 2.3GHz a 8,9dB en 2.5GHz, por lo que la ganancia se mantiene
en un nivel para todo el espectro de utilización. En cuanto al ancho de haz
39
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del lóbulo principal varió de 70° a 65°, manteniéndose también en el rango
de frecuencias.
En el CD adjunto, en la carpeta Antena, se pueden observar la
variación del campo eléctrico y los modos de puertos que se utilizaron tanto
para el campo eléctrico como para el magnético. Estas pequeñas
animaciones ayudan a entender el funcionamiento del dispositivo.
2.5.2. Implementación y medición
Se realizó el fresado de la placa
con los valores obtenidos en las
simulaciones, debido a que la antena
es elevada solo se podía fresar el
sector de pista que se encontraba
sobre el sustrato
Tanto la pista de alimentación
como el patch debieron ser cortados de
forma manual en una placa de cobre de
0,5mm de espesor.
Figura 31 – Vista pista
Figura 32 – Vista perspectiva antena
Figura 34 – Vista superior antena
En las diferentes figuras se
puede observar cómo se realizó el
armado de la antena. También
puede verse la posición de la
alimentación.
La elevación del patch se
consiguió
mediante
pequeñas
piezas de madera de 1cm de alto y
0,5cm de ancho.
Figura 33 – Vista lateral antena
40
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Se realizó la medición del dispositivo mediante el analizador vectorial
de redes HP que se encuentra en el laboratorio para analizar sus
características tales como el parámetro S1,1 y el ROE correspondiente.
Figura 35 – Medición de parámetros S de la Antena
En este caso se obtuvieron los siguientes resultados:
Figura 36 – S1,1 de la antena medido
41
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Figura 37 – ROE de la antena medido
Como puede observarse en la Figura 36 y en la Figura 37, si bien se
cumple con las especificaciones de obtener un ancho de banda de 200MHz
con ROE<2, se observa que la respuesta está corrida en frecuencia unos
75MHz aproximadamente de la frecuencia central.
Debido a esto y para obtener una respuesta mejor se cambio el
tamaño del patch, mediante ajuste de medición, quedando como medidas
finales
y
. Con estos valores se volvió a realizar las
mediciones.
Figura 38 – S1,1 de la antena final medido
42
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Figura 39 – ROE de la antena final medido
De esta forma se consigue un ancho de banda mucho mayor
(476MHz aprox. con ROE<2, lo que significa un ancho de banda del 20%) y
en el rango de frecuencias de utilización se obtiene un ROE<1,6.
Para medir el patrón de radiación de la antena se utilizó la siguiente
configuración:
Figura 40 – Esquema de medición
Se utilizó el analizador de redes para generar un tono en las
frecuencias de 2.3, 2.4 y 2.5GHz y se observo la potencia recibida en el
analizador de espectro mediante el uso de una antena de un equipo router
de la marca Linksys caracterizada con una ganancia de 1,5dBi. Si bien esta
antena está diseñada para trabajar en un ancho de banda más pequeño que
el pretendemos medir con nuestra antena, sirve igualmente a los propósitos
de obtener el formato del patrón de radiación y solo se obtendrá la ganancia
de la antena en forma aproximada a la frecuencia a la cual está centrada el
monopolo (2.4GHz).
43
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Figura 41 – Medición indoor
Se realizaron dos mediciones, una indoor y otra outdoor, para
comprobar el funcionamiento de la misma en dos situaciones distintas, a
continuación se muestran los patrones de radiación obtenidos.
Para realizar esta medición se debe cumplir la relación de campo
lejano [3]:
Por lo tanto:
Las mediciones se realizaron a 60cm asegurando el campo lejano.
Figura 42 – Patrón cartesiano, medición indoor en 2.4GHz
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Figura 43 – Patrón polar, medición indoor en 2.4GHz
Figura 44 – Patrón cartesiano, medición outdoor en 2.3GHz
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Figura 45 – Patrón polar, medición outdoor en 2.3GHz
Figura 46 – Patrón cartesiano, medición outdoor en 2.4GHz
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Figura 47 – Patrón polar, medición outdoor en 2.4Ghz
Figura 48 – Patrón cartesiano, medición outdoor en 2.5GHz
47
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Figura 49 – Patrón polar, medición outdoor en 2.5GHz
Como puede observarse de los patrones medidos, aparece un
aumento de potencia recibida en los patrones de outdoor entre las medidas
tomadas en 40° y 80° aproximadamente, esto se debe a que para tomar las
medidas y mover la antena, debía acercarme al equipo produciendo un
rebote de la onda emitida, esto no se observa en la medición indoor ya que
las antenas estaban mucho más cerca, permitiendo que se observara la
medición desde un punto más alejado sin interferir demasiado en ella. De
todas formas se observa que el patrón medido se condice con lo simulado y
el ancho de haz se mantiene por encima de los 50°. En cuanto a la relación
front-to-back esta se encuentra por encima de las especificaciones.
Para el cálculo de la ganancia se utilizó la ecuación de Friis para el
espacio libre [3]:
Donde
Por lo tanto:
Lo que se condice con las simulaciones realizadas, ya que el ROE en
la frecuencia donde se realizó la medición es de 1,29 que es un poco mayor
48
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que el que se había simulado, con lo cual la potencia que se transfiere a la
antena es un poco menor que la que se utiliza en la simulación donde el
ROE es de 1,096.
2.5.3. Comparación de resultados
Se superaron las especificaciones en todos los puntos de evaluación,
a continuación se muestra una tabla comparativa entre las especificaciones,
las simulaciones y las mediciones realizadas.
Parámetro
Ancho de banda
Ancho de haz
Ganancia
Relación FtB
Especificación
≥ 200MHz
≥ 50°
≥ 6dB
≥ 15dB
Simulación
472MHz
70° a 65°
8,4dB a 8,9dB
-
Medición
476MHz
66° a 57°
7,84dB
17dB mínimo
2.6. Arreglo de antenas
2.6.1. Diseño y simulación
Para el diseño del arreglo se tuvo que optar por una relación de
compromiso entre la atenuación de los lóbulos laterales y el acoplamiento
entre antenas.
La teoría clásica de diseño de arreglos [3] indica que la separación
entre antenas debe ser de λ/2 (Ver Figura 50), de esta forma se logra la
máxima atenuación de los lóbulos laterales. El problema para aplicar esto a
nuestro diseño es que se suponen puntos de radiación isotrópicos, que no
poseen dimensiones. La dimensión de los patch es de aproximadamente λ/2
de largo con lo cual quedarían uno pegado al otro, provocando un excesivo
acoplamiento entre antenas o más aún que se toquen entre ellas.
Figura 50 – Puntos isotrópicos separados λ/2
Por esta razón es que se debe hacer una relación de compromiso
entre los dos parámetros antes mencionados.
Esta separación debe ser lo suficientemente grande como para evitar
el acoplamiento mutuo entre los patchs y ser menor a λ, ya que esto
produciría la aparición de los “grating lobes” anteriormente mencionados.
Se procedió por lo tanto a realizar distintas simulaciones con el
arreglo de antenas variando la separación entre elementos, lográndose el
mejor compromiso con una separación entre los bordes de los patchs de
2cm. En la Figura 51 se puede ver la disposición final del arreglo.
49
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Figura 51 – Arreglo de antenas
Con esta disposición se hallaron los parámetros S del conjunto:
Figura 52 – Parámetros S del arreglo
En las figuras se puede observar que los parámetros S1,1, S2,2, S3,3
y S4,4 se mantienen en los mismos valores que para la antena de
evaluación, inclusive, se profundizó la resonancia de la antenas internas del
conjunto debido a la proximidad de los elementos a sus lados, aunque se
produce un pequeño descenso del ancho de banda a 445MHz. Por otro lado,
el acoplamiento entre los elementos se mantiene debajo de 20dB, lo cual,
asegura la inmunidad de una antena a otra.
En cuanto a los patrones de radiación, estos se mantienen casi
invariables con respecto a los hallados para la antena de evaluación.
50
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Figura 53 – Patrón polar puerto 1 en 2.3GHz
Solo se observa un aumento del ancho de haz principal a 80° y un
leve descenso de la ganancia por elemento a 8dB, de los 8,7dB promedios
obtenidos con la antena modelo (Nota: solo se presenta el patrón para un
solo puerto y una frecuencia, dado que los demás presentaban
aproximadamente la misma forma).
Se presentan también los datos de los parámetros S de entrada en
formato de la carta de Smith para su mayor comprensión.
Figura 54 – Parámetros S de entrada en carta de Smith
Para analizar la atenuación de los lóbulos laterales se debe ingresar a
todos los puertos con la señal que saldría del beamformer, esto se verá en
más adelante cuando se analice el sistema completo.
51
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2.6.2. Implementación y medición
Se procedió de la misma
forma que con la antena modelo,
pero al ser el tamaño del arreglo
mayor al que podía soportar la
fresadora de la universidad, se
realizaron dos placas por separado
y
se
unieron
después
para
conformar el arreglo completo.
Para elevar las antenas se
utilizó el dieléctrico interno de un
cable coaxil que resultó ser mucho
más fácil de cortar a la medida
exacta que la madera utilizada en
la antena modelo.
Figura 55 – Arreglo de antenas implementado
Se procedió luego a medir los parámetros S del arreglo mediante el
analizador de redes, colocando cargas de 50 ohm en los puertos que no se
utilizaban. Los valores hallados se presentan a continuación (Para facilitar el
entendimiento se grafican los parámetros puerto por puerto).
Figura 56 – Parámetros Sx,1 arreglo antenas
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Figura 57 – Parámetros Sx,2 arreglo antenas
Figura 58 – Parámetros Sx,3 arreglo antenas
Figura 59 – Parámetros Sx,4 arreglo antenas
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Como puede observarse en la Figura 56, Figura 57, Figura 58 y
Figura 59, se produjo un aumento del ancho de banda en todas las antenas,
cuyos anchos de banda son de 644MHz, 570MHz, 548MHz y 614MHz, esto
se debe a la influencia de las otras antenas, provocando un ancho de banda
del 23% al 27%. En la banda de uso (2.3 a 2.5 GHz) se obtiene un ROE
menor a 1,4. También se puede observar que el acoplamiento de señales
entre antenas se mantiene por debajo de los 18dB, lo cual garantiza el
aislamiento de los puertos entre sí.
Los patrones de radiación no sufrieron grandes variaciones con
respecto a los vistos para la antena modelo.
Figura 60 – Patrón de radiación de un elemento del arreglo
2.6.3. Comparación de resultados
Se superaron las especificaciones en todos los puntos de evaluación,
a continuación se muestra una tabla comparativa entre las especificaciones,
las simulaciones y las mediciones realizadas.
Parámetro
Ancho de banda
Ancho de haz
Ganancia
Aislamiento
Especificación
≥ 200MHz
≥ 50°
≥ 6dB
≥ 15dB
Simulación
445MHz
70° a 65°
8dB
≥ 20dB
Medición
548MHz a 644MHz
66° a 57°
≈8dB
≥ 18dB
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3. Beamformer
3.1. Introducción
3.1.1. Beamformer
Para analizar el comportamiento de un beamformer, debemos
comenzar viendo de que depende la dirección del haz principal de un
arreglo, y este es dependiente tanto del espaciado entre elementos como de
la diferencia de fase entre estos. La diferencia de fase entre el elemento m
y el primer elemento, considerado como la referencia del arreglo, es de:
Para un espaciamiento de media longitud de onda, la diferencia de
fase entre dos elementos adyacentes puede ser escrita como:
Como la dirección del haz principal sucede cuando
la siguiente ecuación:
, se obtiene
Si se considera un arreglo de antenas lineal conectado a un
generador de señal, esto producirá un haz principal en un ángulo específico
y nulos en otras direcciones. Por lo tanto, para producir múltiples haces en
diferentes direcciones, necesitamos alimentar el arreglo con múltiples
generadores de señales simultáneamente. Esto puede alcanzarse usando
una red de alimentación conocida como beamformer. En un beamformer de
M x M, M puertos de entrada son conectados a M elementos de antenas,
mientras que M puertos de salida son conectados a generadores de señales
o receptores. La presencia de una señal en uno de los puertos de salida
inducirá un cambio de fase entre los puertos de entrada y los elementos del
arreglo, resultando en un patrón de radiación con un haz principal y nulos
en direcciones específicas.
Cuando se alimentan diferentes señales a todos los puertos de salida,
se producen los patrones de radiación correspondientes, cuya superposición
resultará en múltiples haces simultáneos en diferentes ángulos. Cuando el
pico del patrón de radiación es dirigido sobre los nulos de los otros
patrones, el beamformer es llamado ortogonal. Vale la pena notar que un
beamformer de M x M producirá M haces [6].
3.1.2. Matriz de Butler
Una de las más conocidas redes de beamforming es la Matriz de
Butler. Es una alimentación lineal y pasiva de N x N con capacidad de
direccionar un arreglo de antenas, con N salidas conectadas a las antenas y
N entradas conectadas a las entradas. La matriz de Butler realiza una
transformada rápida espacial de Fourier y provee N haces ortogonales,
donde N es una potencia entera de 2 (
. Estos haces son
56
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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combinaciones lineales independientes de los patrones de los elementos del
arreglo.
Figura 61 – Diagrama Beamformer
La matriz de Butler utiliza híbridos de cuadratura pasivos y phase
shifters fijos para producir los progresivos cambios de fase de los elementos
del arreglo que son necesarios para formar múltiples haces. En la Figura 61
se observa una matriz de Butler de cuatro elementos que se usa para
producir cuatro haces ortogonales.
Los híbridos de cuadratura tienen salidas que son iguales en potencia
pero desfasadas 90°. Por lo tanto, de la Figura 61, puede observarse que
cuando se aplica una señal
en cada uno de los puertos de la matriz, las
fases resultantes en cada uno de los elementos serán como se observan en
la siguiente tabla:
Puerto Salida
P1
P2
P3
P4
A1
0°
-90°
-45°
-135°
Puerto de Entrada
A2
A3
-45°
-90°
45°
-180°
-180°
45°
-90°
-45°
A4
-135°
-45°
-90°
0°
Una matriz de Butler puede cubrir un sector de hasta 360°
dependiendo en los patrones de los elementos y el espaciamiento entre
ellos. Cada haz puede ser usado por transmisor y/o receptor dedicado y el
haz apropiado puede ser seleccionado mediante un switch. Una matriz de
Butler también puede ser usada para direccionar un haz de un arreglo
circular excitando los puertos con entradas pesadas en amplitud y fase
Se requieren un total de
híbridos y
phase
shifters fijos para formar la red. Una matriz de Butler cumple con dos
funciones:
Distribución de las señales de RF a los elementos de antenas.
Beamsteering y beamforming ortogonal.
Al conectar una matriz de Butler entre el arreglo de antenas y un
switch, se puede alcanzar un beamforming múltiple excitando dos o más
puertos de entrada con señales al mismo tiempo. Una señal introducida en
un puerto de entrada producirá excitaciones iguales en todos los puertos de
salida con una fase progresiva entre ellos, resultando en un haz irradiado en
57
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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un cierto ángulo en el espacio. Una señal en otro puerto de entrada formará
otro haz en otra dirección, alcanzando de esta forma el beamsteering. Como
ejemplo tomemos la Figura 62, si los puertos 1R y 4L son excitados al
mismo tiempo con señales de RF de la misma amplitud, fase y frecuencia,
los haces 2R y 3L se irradiarán simultáneamente. Aunque se puede realizar
beamforming múltiple, existe una limitación. Dos haces adyacentes no
pueden ser formados simultáneamente a la misma frecuencia, dado que se
sumarían para producir un solo haz [5].
Figura 62 – Patrón de haces
3.2. Híbridos de Cuadratura
3.2.1. Introducción
Los híbridos son comúnmente usados en la alimentación de las
antenas, en discriminadores de frecuencia, mezcladores balanceados,
moduladores, amplificadores balanceados, phase shifters, comparadores
monopulso, controladores automáticos de nivel de señal, monitoreo de
señal y muchas aplicaciones más. Un buen híbrido debe tener un ROE bajo,
baja perdida por inserción, buena aislación y directividad, y un
acoplamiento constante en el ancho de banda de utilización.
Un híbrido de cuadratura es un dispositivo con la propiedad de que
una onda incidente en el puerto 1 acopla la potencia a los puertos 3 y 4
pero no al puerto 2, tal y como se muestra en la Figura 63. La señal
incidente en el puerto 1 se divide en dos señales de la mitad de la amplitud
de la señal incidente en los puertos de salida 3 y 4, y están desfasadas
entre ellas 90°.
Figura 63 – Diagrama híbrido de cuadratura
En un circuito microstrip, el híbrido puede ser realizado por pistas
como se muestra en la Figura 64. Cada brazo posee una longitud de λ/4.
Para un acoplamiento de 3dB, las impedancias características de las ramas
en paralelo y serie son:
y
, respectivamente, para una
óptima performance del híbrido.
58
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 64 – Híbrido de cuadratura teórico
También debe ser mencionado que todos los puertos son
intercambiables, es decir, que si se ingresa señal por el puerto 2 esta saldrá
por los puertos 3 y 4, desfasada en forma inversa y el puerto 1 quedaría
aislado.
3.2.2. Diseño y simulación
Se procedió al diseño mediante las ecuaciones, de ancho de pista
para que presentaran una impedancia de 50 y 35,35 ohms de la forma que
se indica a continuación [7]:
Con εr = 3,5, Z0 = 50 Ω y d = 1,52 mm (Placa Taconic RF-35-0600C1/C1)
Con εr = 3,5, Z0 = 35,35 Ω y d = 1,52 mm (Placa Taconic RF-350600-C1/C1)
Una vez hallados estos valores se procedió a calcular la longitud de
onda con el dieléctrico seleccionado mediante:
59
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Para Z0 = 50 Ω
Para Z0 = 35,35 Ω
Con estos valores se procedió a diseñar el híbrido tal y como se indica
en la introducción. El diseño se mejoró alisándole las puntas y tomando
como puntos centrales de las longitudes del híbrido los puntos de encuentro
medios (Figura 65).
Los valores hallados se listan a continuación:
Figura 65 – Dimensiones híbrido 1
Figura 66 – Módulo del híbrido 1
Como podemos observar en la Figura 66, lo que se encuentra cerca
de la frecuencia central es el punto de máxima atenuación de S11, pero en
nuestro caso nos interesa que tanto el S31 como el S41 pasen por el mismo
punto a la frecuencia central, por lo que se realizó una iteración de cambios
de anchos de pista hasta centrar el punto de cruce en 2.4Ghz.
Figura 67 – Dimensiones híbrido final
60
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
A continuación se muestran los valores hallados
del circuito, tales como señales de testeo (Figura 68),
fases de interés (Figura 70), corrientes superficiales
eléctrico (Figura 72), campo magnético (Figura 73)
(Figura 74).
para varias medidas
módulo (Figura 69),
(Figura 71), campo
y flujo de potencia
Figura 68 – Señales de entrada y salida híbrido final
Figura 69 – Módulo del híbrido final
Figura 70 – Fases S3,1 y S4,1 del híbrido final
61
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 71 – Corrientes superficiales en f= 2.4 GHz del híbrido final
Figura 72 – Campo Eléctrico en f= 2.4 GHz del híbrido final
Figura 73 – Campo magnético en f= 2.4 GHz del híbrido final
62
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 74 – Flujo de Potencia en f= 2.4 GHz del híbrido final
De los gráficos anteriores se puede apreciar que la fase de salida del
híbrido es de 90,25° a la frecuencia central y se mantiene en el ancho de
banda deseado, en cuanto al módulo obtenemos una diferencia máxima de
1 dB al borde del ancho de banda, que se encuentra dentro del margen de
tolerancia.
En cuanto a los gráficos de corrientes, campos y potencia, nos
ayudan a comprender el funcionamiento interno del dispositivo. Se pueden
apreciar en estos los cambios de fase y los acoplamientos con el puerto
aislado.
En el CD adjunto, en la carpeta Híbrido, se pueden observar la
variación del campo eléctrico, campo magnético y corrientes superficiales
en el híbrido. Estas pequeñas animaciones ayudan a entender el
funcionamiento del dispositivo.
3.2.3 Implementación y medición
Se procedió a realizar la
caracterización
del
mismo
mediante parámetros S, el
equipo que se utilizó para esta
caracterización fue el analizador
de redes.
Para
la
medición
se
colocaron
cargas
de
la
impedancia
característica
en
todos los puertos de salida y se
medió el parámetro S1,1. Luego
se tomó un puerto de salida a la
vez y con la señal conectada al
puerto 1 se procedió a medir los
Sx,1 (Figura 75).
Figura 75 – Medición del híbrido
63
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Se
volvió
a
realizar
este
procedimiento con tomando cada uno de
los puertos como entrada y a los otros
como salida para verificar la simetría del
dispositivo (como los parámetros fueron
bastante simétricos, en los valores de
interés, se presentarán los parámetros S
de solo uno de los puertos para poder
facilitar la lectura del gráfico).
Figura 76 – Híbrido implementado
A continuación se listan los valores hallados.
Figura 77 – Módulo parámetros S del híbrido implementado
Figura 78 – Fase parámetros S del híbrido implementado
En las imágenes se pueden ver las magnitudes y las fases de los
parámetros S de interés. Vamos a poner énfasis en dos factores, primero
que la diferencia de fase de las señales a la salida, se mantiene constante y
con un valor de 90° en toda la banda de interés, segundo que la diferencia
máxima de las amplitudes de salida es de 0.88 dB en uno de los extremos
del ancho de banda requerido.
También se puede observar que el puerto aislado se encuentra por
debajo de los 10 dB de atenuación en el ancho de banda requerido.
64
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
3.2.4. Comparación de resultados
Se comprobó que los valores hallados en la simulación corresponden
con los medidos dentro del rango de frecuencias de utilización. Es de
particular interés que la diferencia de fases a la salida se mantuvo
constante y cercana a 90° (Figura 79), y que la diferencia máxima entre las
salidas sea de 0.88 dB (Figura 80), dado que estos son los parámetros que
definen al híbrido y son superiores a la especificación que se pretendía (±5°
y 1 dB). Existe un pequeño cambio de la pendiente de la fase con respecto
a la simulación, pero esto no afecta el funcionamiento del mismo, ya que lo
importante es la diferencia entre las salidas, aunque deberá ser tomado en
cuenta para el diseño del beamformer.
Figura 79 – Comparación módulos S3,1 y S4,1 medidos y simulados
Figura 80 – Comparación fases S3,1 y S4,1 medidos y simulados
Se superaron las especificaciones en todos los puntos de evaluación,
a continuación se muestra una tabla comparativa entre las especificaciones,
las simulaciones y las mediciones realizadas.
Parámetro
Ancho de banda
Diferencia fases de salida
Atenuación puerto aislado
Perdidas por inserción
Especificación
≥ 200MHz
≈90°
≥ 10dB
≤ 1dB
Simulación
220MHz
90,25°
≥ 16dB
≤ 0,6dB
Medición
273MHz
≈90°
≥ 12,5dB
≤ 0,4dB
Nota: Para las perdidas por inserción se consideró que los cables para la medición y conectores
producían una pérdida de aprox. 0,2dB, que debe tenerse en cuenta en la Figura 79
65
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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3.3. Crossover
3.3.1. Introducción
Con este dispositivo se obtiene el cruce de señales de un lado del
circuito al otro sin necesidad de realizar un salto en la placa o tener varias
capas de ruteo. Su funcionamiento se basa en la suma de las señales en
fase y contrafase, de forma tal que si entramos por el puerto 1 las señales
se sumen a contrafase en la salida 3 y en fase en la salida 4, con máxima
atenuación en el puerto 2 y en el puerto 3.
Su realización es sencilla, consta de dos híbridos de cuadratura en
serie, de forma tal de alcanzar la suma de señales en fase y contra fase
antes mencionada.
3.3.2. Diseño y simulación
Se utilizaron los valores de anchos de pista del híbrido de cuadratura,
y se utilizó el diseño de estos para el diseño del crossover, se realizaron
distintas simulaciones para mejorar la respuesta en frecuencia del mismo,
tratando de obtener la menor atenuación posible y una fase de salida lineal.
En la figura se muestra las dimensiones del mismo.
Figura 81 – Dimensiones crossover
Dado que se utilizaron los valores optimizados del híbrido de
cuadratura, el dispositivo quedo centrado de la forma que se pretendía, que
en este caso es el S3,1 dado que se pretende que haya una buena
atenuación en el puerto opuesto al cruce para no cargar las entradas de los
otros puertos.
El dispositivo es totalmente simétrico por lo cual solo se muestran los
valores ingresando por el puerto 1, ya que sería lo mismo si ingresáramos
por el 2, 3 o 4, intercambiando las entradas por salidas.
A continuación se muestran los valores hallados para varias medidas
del circuito, tales como señales de testeo (Figura 82), módulo (Figura 84),
detalle del módulo de S4,1 (Figura 83), fase (Figura 85), corrientes
superficiales (Figura 86), campo eléctrico (Figura 87), campo magnético
(Figura 88) y flujo de potencia (Figura 89).
66
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 82 – Señales de entrada y salida crossover
Figura 83 – Módulo crossover
Figura 84 – Detalle módulo S4,1 crossover
67
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 85 – Fases crossover
Figura 86 – Corrientes superficiales en f= 2.4 GHz crossover
Figura 87 – Campo Eléctrico en f= 2.4 GHz crossover
68
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 88 – Campo magnético en f= 2.4 GHz crossover
Figura 89 – Flujo de Potencia en f= 2.4 GHz crossover
Como se puede apreciar en la Figura 83 el aislamiento de los puertos
2 y 3 es mayor a 25dB en las frecuencias de utilización, lo cual garantiza
que nuestro crossover no ingrese señales a los puertos de entrada que no
corresponden. Mientras que el parámetro S1,1 se encuentra por debajo de
los 10dB asegurando un buen acoplamiento de la señal de entrada.
De la Figura 84 podemos observar que la señal de salida solo sufre
una atenuación menor a 0,8dB en todo el ancho de banda a utilizar y en la
Figura 85 vemos que la fase es lineal, sin embargo hay que notar que esta
decae mucho más rápido en frecuencia que en el híbrido, esto debe tenerse
en cuenta para el diseño del beamformer, ya que este cambio de pendiente
de fase debe compensarse para las otras salidas (las que no poseen el
crossover) para que todas en conjunto posean la misma pendiente y por lo
tanto la misma diferencia de fase en el ancho de banda de utilización.
En cuanto a los gráficos de corrientes, campos y potencia, nos
ayudan a comprender el funcionamiento interno del dispositivo. Se pueden
apreciar en estos los cambios de fase y los acoplamientos con los puertos
aislados.
En el CD adjunto, en la carpeta Crossover, se pueden observar la
variación del campo eléctrico, campo magnético y corrientes superficiales
en el crossover. Estas pequeñas animaciones ayudan a entender el
funcionamiento del dispositivo.
69
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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3.3.3. Implementación y medición
Se procedió a realizar la caracterización del mismo mediante
parámetros S, el equipo que se utilizó para
esta caracterización fue el analizador de
redes.
Para la medición se colocaron cargas
de la impedancia característica en todos
los puertos de salida y se midió el
parámetro S1,1. Luego se tomó un puerto
de salida a la vez y con la señal conectada
al puerto 1 se procedió a medir los Sx,1.
Figura 90 – Crossover
Se
volvió
a
realizar
este
procedimiento con tomando cada uno de
los puertos como entrada y a los otros
como salida para verificar la simetría del
dispositivo (como los parámetros fueron
bastante simétricos, en los valores de
interés, se presentarán los parámetros S
de solo uno de los puertos para poder
facilitar la lectura del gráfico).
Figura 91 – Medición crossover
A continuación se listan los valores hallados.
Figura 92 – Módulo parámetros S crossover medidos
70
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Figura 93 – Detalle módulo S4,1 crossover medido
Figura 94 – Fase S4,1 crossover medido
Como se puede observar en las figuras anteriores, los parámetros S
se comportan de la misma forma que los simulados, igualmente vale la
pena notar dos cosas, en primer lugar el parámetro S4,1 en módulo (Figura
93) presenta una ondulación en la banda de trabajo, esto puede a deberse
a la cargas y al cable utilizado para realizar la medición en conjunto con los
conectores, y en segundo lugar la fase de entrada – salida (Figura 94)
presenta una pendiente más pronunciada que en la simulación (este mismo
tipo de comportamiento se vio también en el híbrido) que deberá ser
considerado en el diseño del beamfomer.
3.3.4. Comparación de resultados
Se superaron las especificaciones en casi todos los puntos de
evaluación (no se pudo cumplir con la especificación de perdidas por
inserción), a continuación se muestra una tabla comparativa entre las
especificaciones, las simulaciones y las mediciones realizadas.
71
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Parámetro
Ancho de banda
Atenuación puerto aislado 1
Atenuación puerto aislado 2
Perdidas por inserción
Especificación
≥ 200MHz
≥ 15dB
≥ 15dB
≤ 1dB
Simulación
800MHz (1,5dB)
≥ 26dB
≥ 25dB
≤ 0,8 dB
Medición
620MHz (1,5dB)
≥ 19dB
≥ 20dB
≤ 1,3dB
Nota: Para las perdidas por inserción se consideró que los cables para la medición y conectores
producían una pérdida de aprox. 0,2dB, que debe tenerse en cuenta en la Figura 93.
Si bien no se cumplió con la especificación de perdidas por inserción,
debe tenerse en cuenta lo explicado anteriormente con respecto a la
ondulación en la banda de utilización. Si se traza una curva suave
realizando una interpolación de los puntos se obtiene una perdida por
inserción menor a 1dB. De todas formas unos 0,3dB de perdida por
inserción más no afectarían en demasía el funcionamiento del crossover.
3.4. Phase Shifter
3.4.1. Introducción
Los phase shifters son usados comúnmente para cambiar el ángulo
de fase de una red. Los phase shifters ideales proveen poca perdida de
inserción e igual amplitud en todos los estados de las fases. El tipo de phase
shifter que utilizaremos es una red recíproca y pasiva, de forma tal que
trabaje en ambas direcciones.
Este fue diseñado con los métodos de diseño para las líneas
Schiffman, se utilizará este método porque permite variar de forma sencilla
la pendiente de la fase, que en nuestro caso es lo que más nos interesa,
dado que el crossover posee una pendiente de fase de caída más abrupta
que los híbridos.
3.4.2. Diseño y simulación
Si se diseñara el phase shifter a la frecuencia central usando una
línea de transmisión normal limitaríamos el ancho de banda debido a la
diferencia de pendientes de fase. Por este motivo se usa el principio de
Schiffman para su diseño [8].
Para este tipo de phase shifter se utiliza una línea acoplada de cuarto
de longitud de onda y se ajusta la longitud L (Figura 95) hasta que la
pendiente de la fase coincida con la del crossover y se obtenga un cambio
de 45° con respecto al crossover.
Mediante varias simulaciones se alcanzaron los valores deseados, las
dimensiones finales son las siguientes:
L = 1,02 mm
L1 = 17,51 mm
L2 = 18,21 mm
W = 44,79 mm
72
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Figura 95 – Diagrama Phase Shifter
Figura 96 – Comparación fases phase shifter y crossover
Figura 97 – Módulo S2,1 phase shifter
73
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En la Figura 96 se observa como ambas fases se comportan de la
misma manera, salvo una pequeña diferencia de fase pero que se mantiene
en todo el espectro, esto se solucionará quitándole 2° al phase shifter
acortando la longitud L en 0,02mm. Las pérdidas por inserción van de
0,545dB en 2,3GHz a 0,675dB en 2,5GHz, lo cual es muy bajo (Figura 97).
En el CD adjunto, en la carpeta Phase Shifter, se pueden observar la
variación del campo eléctrico, campo magnético y corrientes superficiales
en el phase shifter. Estas pequeñas animaciones ayudan a entender el
funcionamiento del dispositivo.
Para este dispositivo no se realizó una implementación dado que no
se creyó necesario.
3.4.3. Comparación de resultados
Se superaron las especificaciones en todos los puntos de evaluación,
a continuación se muestra una tabla comparativa entre las especificaciones
y la simulación.
Parámetro
Diferencia de fase
Perdidas por inserción
Especificación
≤ 5°
≤ 1dB
Simulación
2°
≤ 0,675 dB
3.5. Diseño y simulación del beamformer
Una vez realizadas todas las simulaciones de los distintos dispositivos
a utilizar en el diseño, se procedió a diseñar el beamformer. Nuestro
principal problema era el tamaño, dado que el bajo dieléctrico utilizado
aumentaba el tamaño y ancho de las pistas, en comparación con un
dieléctrico más alto que hubiera comprimido el dispositivo a un cuarto de su
tamaño (vale la pena recordar que el dieléctrico se seleccionó de forma tal
de obtener un gran ancho de banda y no para hacer que el dispositivo fuera
pequeño). Después de varios diagramas y simulaciones se obtuvieron los
valores deseados.
Figura 98 – Diagrama Beamformer
74
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A continuación se muestran los valores hallados para varias medidas
del circuito, tales como señales de testeo (Figura 99, Figura 100), módulo
(Figura 101), detalle del módulo de S5,1, S6,1, S7,1, S8,1 (Figura 102),
detalle del módulo de S5,2, S6,2, S7,2, S8,2 (Figura 103), fases (Figura
104, Figura 105, Figura 106, Figura 107), corrientes superficiales (Figura
108, Figura 109), campo eléctrico (Figura 110, Figura 111), campo
magnético (Figura 112, Figura 113) y flujo de potencia (Figura 114, Figura
115).
Figura 99 – Señales entrada – salida
puerto 1
Figura 100 – Señales entrada – salida
puerto 2
Figura 101 – Módulos parámetros S beamformer
75
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Figura 102 – Detalle módulos parámetros S beamformer puerto 1
Figura 103 – Detalle módulos parámetros S beamformer puerto 2
Figura 104 – Fases parámetros S beamformer puerto 1
Figura 105 – Fases parámetros S beamformer puerto 2
76
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 106 – Fases parámetros S beamformer puerto 3
Figura 107 – Fases parámetros S beamformer puerto 4
Figura 108 – Corrientes superficiales beamformer f=2.4GHz puerto 1
77
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Figura 109 – Corrientes superficiales beamformer f=2.4GHz puerto 2
Figura 110 – Campo Eléctrico beamformer f=2.4GHz puerto 1
Figura 111 – Campo Eléctrico beamformer f=2.4GHz puerto 2
78
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 112 – Campo Magnético beamformer f=2.4GHz puerto 1
Figura 113 – Campo Magnético beamformer f=2.4GHz puerto 2
Figura 114 – Flujo de potencia beamformer f=2.4GHz puerto 1
79
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Figura 115 – Flujo de potencia beamformer f=2.4GHz puerto 2
En la Figura 99 y en la Figura 100 se observa la diferencia de fase
entre las señales de salida en forma de gráfico temporal, esto coincide con
lo que se ve en la Figura 104, Figura 105, Figura 106, Figura 107 donde la
diferencia de fase que se pretendía establecer se mantiene
aproximadamente constante en el rango de frecuencias de utilización, las
pequeñas variaciones que se producen se encuentran dentro del margen de
tolerancia. En las conclusiones de esta sección se podrá ver una tabla con
los valores deseados y hallados a la frecuencia central.
De la Figura 101, podemos observar que los puertos de entrada se
encuentran lo suficientemente aislados y que la transmisión de potencia a
los puertos de salida es lo suficientemente constante en el ancho de banda
de uso del beamformer. La Figura 102 y la Figura 103 muestran en detalle
cómo se distribuirá la señal ingresada en los distintos puertos de salida.
Solo se muestran la de los puertos 1 y 2 ya que el dispositivo es simétrico y
las señales de los puertos 3 y 4 se obtienen de intercambiar las salidas.
En cuanto a los gráficos de corrientes, campos y potencia, nos
ayudan a comprender el funcionamiento interno del dispositivo. Se pueden
apreciar en estos los cambios de fase y los acoplamientos con los puertos
aislados.
En el CD adjunto, en la carpeta Beamformer, se pueden observar la
variación del campo eléctrico, campo magnético y corrientes superficiales
ingresando por los distintos puertos de entrada del beamformer. Estas
pequeñas animaciones ayudan a entender el funcionamiento del dispositivo.
80
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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3.6. Implementación y medición del beamformer
Se procedió a realizar la
caracterización
del
mismo
mediante parámetros S, el
equipo que se utilizó para esta
caracterización
fue
el
analizador de redes.
Para la medición se
colocaron
cargas
de
la
impedancia característica en
todos los puertos de salida y
se medió el parámetro S1,1.
Luego se tomó un puerto de
salida a la vez y con la señal
conectada al puerto 1 se
procedió a medir los Sx,1.
Figura 116 – Medición Beamformer
Se volvió a realizar este
procedimiento
con
tomando
cada uno de los puertos como
entrada y a los otros como
salida, en este caso no hubo una
buena simetría dado que en el
proceso de fabricación una de
las pistas quedó más fina que el
resto, esto produjo un cambio
de impedancia en la línea de
salida (puerto 5) y por lo tanto
se obtuvo una diferencia en
atenuación y fase levemente
distinta a la simulada.
Figura 117 – Beamformer implementado
Se midieron los parámetros Sx,1, Sx,2, Sx,3 y Sx,4.
Figura 118 – Módulo parámetros S1,1, S2,2, S3,3, S4,4 beamformer medidos
81
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Figura 119 – Módulo parámetros S de acoplamiento de entradas del beamformer
Figura 120 – Módulo parámetros S salidas del puerto 1 del beamformer
Figura 121 – Módulo parámetros S salidas del puerto 2 del beamformer
82
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Figura 122 – Módulo parámetros S salidas del puerto 3 del beamformer
Figura 123 – Módulo parámetros S salidas del puerto 4 del beamformer
Figura 124 – Fases parámetros S salidas del puerto 1 del beamformer
83
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Figura 125 – Fases parámetros S salidas del puerto 2 del beamformer
Figura 126 – Fases parámetros S salidas del puerto 3 del beamformer
Figura 127 – Fases parámetros S salidas del puerto 4 del beamformer
84
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En la Figura 118 se puede observar que el acoplamiento de las
señales a los puertos de entrada se encuentra dentro de lo deseado. Los
acoplamientos entre los puertos de entrada se muestran en la Figura 119,
aquí se puede notar que este es mínimo y se encuentra en todos los casos
por debajo de los 14dB.
En la Figura 120, Figura 121, Figura 122 y Figura 123 se pueden
apreciar el módulo de los parámetros S de las salidas correspondientes a los
diferentes puertos de entrada. En ellas se ve claramente que tanto la
entrada por el puerto 1 como por el puerto 4 son las que producen la mayor
diferencia de atenuación entre las salidas, según la teoría esta debe ser
menor a 3dB en el peor de los casos. En ambos casos se cumple con esta
especificación, pero nos encontramos muy en el borde, una solución para
esto puede ser reescalar el circuito para centrarlo unos 50MHz más arriba
en frecuencia de forma tal de obtener una salida más constante en todos los
puertos. Debe tenerse en cuenta que las respuestas de las figuras
anteriores debe subirse 0,5dB aprox. debido a las perdidas en cables y
conectores utilizados para la medición.
En la Figura 124, Figura 125, Figura 126 y Figura 127 se observan las
fases de salida de los parámetros S de las salidas correspondientes a los
diferentes puertos de entrada. En todos los casos se puede observar que la
fase de salida de S5,x es la que no sigue el patrón de las otras fases, esto
se debe al hecho que explicamos anteriormente del ancho de la pista, ya
que su pendiente y fase total es distinta a las demás. De esta forma nos
encontraríamos al borde del margen de tolerancia en la banda de
utilización. Una solución simple que se aplicó (debido a que no se podía
volver a fresar la placa) fue la de utilizar un cable con mayor aporte de fase
que el resto para esta salida y la conexión con las antenas, de esta forma
nos alejamos un poco del margen de tolerancia para el caso del puerto 2
que era el más problemático.
3.7. Comparación de resultados
A continuación se muestra una tabla comparativa
especificaciones, las simulaciones y las mediciones realizadas.
Parámetro
Ancho de banda
Diferencia entre salidas
Acoplamiento señal a puerto
Acoplamiento entre p. de ent.
Especificación
≥ 200MHz
≤ 3dB
≥ 10dB
≥ 10dB
Simulación
305Hz
≤ 2,2dB
≥ 12dB
≥ 17dB
entre
las
Medición
215MHz
≤ 2,9dB
≥ 10dB
≥ 14dB
También se incluye una tabla comparativa entre lo ideal, la
simulación y medición para las fases a la frecuencia central de trabajo.
Puerto de Entrada
Puerto Salida
P5
P6
P7
P8
0°
90°
45°
135°
I
P1
0°
91,5°
45°
135,4°
S
0°
87°
37°
141°
M
-45°
45°
-180°
-90°
I
P2
-42,7°
45°
-179°
-89°
S
-55°
45°
-187°
-99°
M
85
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Juan Matías Laco
Puerto de Entrada
Puerto Salida
P5
P6
P7
P8
-90°
-180°
45°
-45°
I
P3
-89,6°
-181,1°
45°
-44,3°
S
-91°
-179°
45°
-53°
M
-135°
-45°
-90°
0°
I
P4
-135,4°
-45,3°
-91°
0°
S
-133°
-45°
-85°
0°
M
Nota: En todos los casos se tomó el valor más cercano a cero positivo como el central y se calculó la
diferencia a partir de este valor.
Como se puede observar en la frecuencia central de trabajo, la
diferencia entre lo ideal y lo simulado y medido no supera los 9° de
diferencia, lo cual es muy poca diferencia de fase. En cuanto a la diferencia
de fase en todo el espectro es
como
máxima
de
20°
y
mayormente es debida a la salida
S5,x, que es la que presenta el
problema
de
la
impedancia
característica, por lo que será
solucionado mediante el cable de
conexión al arreglo, de todas
formas el sistema tendría que
funcionar de manera correcta, con
pequeñas variaciones, hasta una
diferencia de 30° aprox. según se
indica en la bibliografía sobre el
tema.
Figura 128 – Detalle salida puerto 5
86
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
87
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
4. Cables
Un punto importante de este diseño era la fabricación de cuatro
cables cuyo aporte de fase fuera igual.
Este tipo de cables, si bien se venden,
estos son muy caros y se destinan a
mediciones de precisión, por lo tanto se
prefirió fabricarlos.
El cable utilizado es de marca
Belden modelo 8240 tipo RG-58/U. A
continuación se muestran las fases de los
cables fabricados, para realizar las
mediciones se tomo uno de los cables
como patrón y se comparó el resto con
este.
Figura 129 – Cables
Figura 130 – Comparación módulos de los cables
Figura 131 – Comparación fases de los cables
Como se puede apreciar de la Figura 130 y la Figura 131, se tomó
como patrón al cable 1, tomando el módulo de transferencia como 0dB y su
fase como 0° (en las figuras se puede observar picos en la medida, esto se
debe al error de medición propio del equipo), luego se fueron midiendo el
resto de los cables comparándolos con los ceros seteados por el cable 1. En
88
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
cuanto a los módulos de los distintos cables estos mantienen una diferencia
menor a 0,2dB entre ellos, lo cual nos asegura que no se produzca una
atenuación distinta de la señal de salida en la transferencia desde el
beamformer hasta el arreglo de antenas. Con respecto a las fases, se logró
un error menor a 4° entre los distintos cables, lo cual es un muy buen
resultado (debe tenerse en cuenta que, por ejemplo, no ajustar el cable a la
entrada hasta el tope produce un error de 3°).
89
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
5. Sistema
5.1. Simulación
Para realizar la simulación del sistema se extrajeron los valores de
salida del beamformer y se los ingresó al arreglo mediante una excitación
simultánea de puertos. De esta forma se procedió a simular los patrones de
radiación de las distintas entradas a distintas frecuencias.
A continuación se muestran los distintos patrones en forma polar y
3D para cada una de las entradas y para las frecuencias de 2.3, 2.4 y
2.5GHz. En los patrones polares se opto por tomar el máximo producido por
cada puerto como 0dB para facilitar la superposición de figuras en el patrón
completo para, de esta forma, analizar la posición de nulos y lóbulos
laterales.
Figura 132 – Patrón polar puerto 1 simulado en 2.3GHz
Figura 133 – Patrón polar puerto 2 simulado en 2.3GHz
90
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 134 – Patrón polar puerto 3 simulado en 2.3GHz
Figura 135 – Patrón polar puerto 4 simulado en 2.3GHz
Figura 136 – Patrón polar completo simulado en 2.3GHz
91
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 137 – Patrón 3D puerto 1 simulado en 2.3GHz
Figura 138 – Patrón 3D puerto 2 simulado en 2.3GHz
Figura 139 – Patrón 3D puerto 3 simulado en 2.3GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 140 – Patrón 3D puerto 4 simulado en 2.3GHz
Figura 141 – Patrón polar puerto 1 simulado en 2.4GHz
Figura 142 – Patrón polar puerto 2 simulado en 2.4GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 143 – Patrón polar puerto 3 simulado en 2.4GHz
Figura 144 – Patrón polar puerto 4 simulado en 2.4GHz
Figura 145 – Patrón polar completo simulado en 2.4GHz
94
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 146 – Patrón 3D puerto 1 simulado en 2.4GHz
Figura 147 – Patrón 3D puerto 2 simulado en 2.4GHz
Figura 148 – Patrón 3D puerto 3 simulado en 2.4GHz
95
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 149 – Patrón 3D puerto 4 simulado en 2.4GHz
Figura 150 – Patrón polar puerto 1 simulado en 2.5GHz
Figura 151 – Patrón polar puerto 2 simulado en 2.5GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 152 – Patrón polar puerto 3 simulado en 2.5GHz
Figura 153 – Patrón polar puerto 4 simulado en 2.5GHz
Figura 154 – Patrón polar completo simulado en 2.5GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 155 – Patrón 3D puerto 1 simulado en 2.5GHz
Figura 156 – Patrón 3D puerto 2 simulado en 2.5GHz
Figura 157 – Patrón 3D puerto 3 simulado en 2.5GHz
98
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 158 – Patrón 3D puerto 4 simulado en 2.5GHz
Como se puede observar de las figuras anteriores los anchos de haz
descienden a medida que la frecuencia aumenta y aumentan también la
cantidad de lóbulos laterales, esto es coincidente con la teoría de arreglos,
si bien existe este descenso se logra cumplir el objetivo ya que es un
descenso suave. También se puede observar que los nulos correspondientes
a un puerto se corresponden con los puntos de máxima ganancia de los
otros puertos (Figura 136, Figura 145 y Figura 154), salvo por dos lóbulos
laterales de los puertos 2 y 3 que se encuentran levemente corridos pero
sin influir demasiado ya que su corrimiento es de 3° a 5°. En cuanto a los
lóbulos laterales, el nivel de estos es por debajo de los 5,4dB con respecto
al lóbulo principal y se encuentran fuera del sector de cobertura, los únicos
lóbulos que se encuentran en el sector son los de los puertos 2 y 3 y se
encuentran 7,4dB por debajo del lóbulo principal con lo cual nos
aseguramos que siempre se seleccionará el lóbulo principal en esa
dirección. En los gráficos 3D se observa la ganancia del arreglo, que se
encuentra entre 12,26dB y 13,33dB lo cual es bastante constante para los
200MHz de ancho de banda que pretendemos, también se muestra la
eficiencia de radiación y la eficiencia total que es muy alta, por encima del
89%.
99
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
5.2. Medición
Con el beamformer, cables y el
arreglo medidos, y dentro de los valores
esperados, se procedió a medir el
sistema completo. Para ello se midió el
patrón de radiación para cada entrada
en tres frecuencias, 2.3, 2.4 y 2.5GHz.
Todas las mediciones se realizaron en el
exterior para evitar todo tipo de rebotes
que pudieran producirse en el interior.
Para realizar la medición se utilizó una
escala graduada en grados y se tomó la
potencia recibida cada 5°. Como se
había probado para el caso de la antena
de prueba, nos encontramos en campo
lejano más allá de los seis centímetros
de la antena, con lo cual, colocándonos
a 2,20 Mts. nos aseguramos de estar en
campo lejano. A continuación se
muestran los valores hallados, fotos de
la medición y del sistema.
Figura 159 – Sistema completo
Figura 160 – Medición del sistema: Disposición de los equipos en la medición
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 161 – Medición del sistema: variación del ángulo
Figura 162 – Patrón polar puerto 1 medido en 2.3GHz
Figura 163 – Patrón polar puerto 2 medido en 2.3GHz
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Figura 164 – Patrón polar puerto 3 medido en 2.3GHz
Figura 165 – Patrón polar puerto 4 medido en 2.3GHz
Figura 166 – Patrón cartesiano puerto 1 medido en 2.3GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 167 – Patrón cartesiano puerto 2 medido en 2.3GHz
Figura 168 – Patrón cartesiano puerto 3 medido en 2.3GHz
Figura 169 – Patrón cartesiano puerto 4 medido en 2.3GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 170 – Patrón polar puerto 1 medido en 2.4GHz
Figura 171 – Patrón polar puerto 2 medido en 2.4GHz
Figura 172 – Patrón polar puerto 3 medido en 2.4GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 173 – Patrón polar puerto 4 medido en 2.4GHz
Figura 174 – Patrón cartesiano puerto 1 medido en 2.4GHz
Figura 175 – Patrón cartesiano puerto 2 medido en 2.4GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 176 – Patrón cartesiano puerto 3 medido en 2.4GHz
Figura 177 – Patrón cartesiano puerto 4 medido en 2.4GHz
Figura 178 – Patrón polar puerto 1 medido en 2.5GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 179 – Patrón polar puerto 2 medido en 2.5GHz
Figura 180 – Patrón polar puerto 3 medido en 2.5GHz
Figura 181 – Patrón polar puerto 4 medido en 2.5GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 182 – Patrón cartesiano puerto 1 medido en 2.5GHz
Figura 183 – Patrón cartesiano puerto 2 medido en 2.5GHz
Figura 184 – Patrón cartesiano puerto 3 medido en 2.5GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 185 – Patrón cartesiano puerto 4 medido en 2.5GHz
Figura 186 – Patrón polar completo medido en 2.3GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 187 – Patrón polar completo medido en 2.4GHz
Figura 188 – Patrón polar completo medido en 2.5GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Como puede observarse los patrones medidos se comportan de la
misma forma que los simulados, los ancho de haces principales disminuyen
a medida que la frecuencia aumenta, la mayoría de los nulos coinciden con
los máximos (en algunos puntos el error es de medición debido a que no se
obtenía una medida exacta) y los lóbulos laterales se encuentran por debajo
de los 6dB. La cobertura de la zona varía de 90° a 70° en el rango de
frecuencias de utilización.
5.3. Comparación de resultados
El sistema se comporta de igual forma en la simulación que en la
implementación, los lóbulos laterales se ven más atenuados en la medición
que en la simulación, mejorando la performance del sistema. Existe un
corrimiento de los haces principales en relación a la simulación, esto es
mayormente debido a que en la simulación se consideraba un plano
perfecto de tierra en la parte posterior de la antena, lo cual hacía que los
lóbulos tendieran a acercarse más hacia el centro, de todas formas este
comportamiento era de esperarse y nos convenía ya que se intentaba lograr
una cobertura de entre 90° y 70° a 3dB, que es lo que se halló en la
medición. La ganancia del arreglo es de aproximadamente entre 11,5 y 12,7
dB, la medición de la misma no fue exacta ya que no se conocen los valores
exactos de varios parámetros que tuvieron influencia en la medición.
También puede notarse que los haces principales se cruzan en los puntos de
3dB, aproximadamente, con los haces principales de los otros puertos. A
continuación se presenta una superposición de los campos hallados.
Figura 189 – Comparación de patrones simulados y medidos en 2.3GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Figura 190 – Comparación de patrones simulados y medidos en 2.4GHz
Figura 191 – Comparación de patrones simulados y medidos en 2.4GHz
A continuación se muestra una tabla comparativa
especificaciones, las simulaciones y las mediciones realizadas.
Parámetro
Ancho de banda
Atenuación lóbulos laterales
Cobertura
Relación FtB
Haces ortogonales
Especificación
≥ 200MHz
≥ 3dB
90° a 70°
≥ 15dB
Sí
Simulación
200Hz
≥ 5,4dB
83° a 68°
Aprox.
entre
Medición
200MHz
≥ 6dB
90° a 70°
≥ 17dB
Aprox.
las
112
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
113
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
6. Conclusiones y trabajos futuros.
Como puede observarse en la tabla presentada al final del capítulo
del sistema, se cumplieron los con los objetivos planteados al inicio del
proyecto. En todos los dispositivos realizados se superaron las
especificaciones (salvo por las pérdidas de inserción del crossover, pero que
no influyen demasiado). Si bien el beamformer alcanzó un buen
funcionamiento, este podría haber sido mejor si la salida del puerto 5
hubiera tenido el ancho de pista para el cual se había diseñado, esto sirve
de experiencia para futuros trabajos de este tipo en donde se deba extraer
un gran cantidad de cobre de un placa con gran superficie, la solución que
se encontró en varios fabricantes es la de utilizar un bomba de vacio para
fijar la placa durante el proceso de fresado.
A continuación se presentan las tablas comparativas para cada
dispositivo:
Antena de Evaluación
Parámetro
Especificación
Ancho de banda
≥ 200MHz
Ancho de haz
≥ 50°
Ganancia
≥ 6dB
Relación FtB
≥ 15dB
Simulación
472MHz
70° a 65°
8,4dB a 8,9dB
-
Medición
480MHz
66° a 57°
7,84dB
≥17dB
Arreglo
Parámetro
Ancho de banda
Ancho de haz
Ganancia
Aislamiento
Simulación
445MHz
70° a 65°
8,4dB a 8,9dB
≥ 20dB
Medición
548MHz a 644MHz
66° a 57°
7,84dB
≥ 18dB
Especificación
≥ 200MHz
≥ 50°
≥ 6dB
≥ 15dB
Híbrido de Cuadratura
Parámetro
Especificación
Ancho de banda
≥ 200MHz
Diferencia fases de salida
≈90°
Atenuación puerto aislado
≥ 10dB
Perdidas por inserción
≤ 1dB
Crossover
Parámetro
Ancho de banda
Atenuación puerto aislado 1
Atenuación puerto aislado 2
Perdidas por inserción
Phase Shifter
Parámetro
Diferencia de fase
Perdidas por inserción
Especificación
≥ 200MHz
≥ 15dB
≥ 15dB
≤ 1dB
Especificación
≤ 5°
≤ 1dB
Simulación
220MHz
90,25°
≥ 16dB
≤ 0,6dB
Simulación
800MHz (1,5dB)
≥ 26dB
≥ 25dB
≤ 0,8 dB
Medición
273MHz
≈90°
≥ 12,5dB
≤ 0,4dB
Medición
620MHz (1,5dB)
≥ 19dB
≥ 20dB
≤ 1,3dB
Simulación
2°
≤ 0,675 dB
114
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Beamformer
Parámetro
Ancho de banda
Diferencia entre salidas
Acoplamiento señal a puerto
Acoplamiento entre p. de ent.
Especificación
≥ 200MHz
≤ 3dB
≥ 10dB
≥ 10dB
Simulación
305Hz
≤ 2,2dB
≥ 12dB
≥ 17dB
Medición
215MHz
≤ 2,9dB
≥ 10dB
≥ 14dB
Puerto de Entrada en 2.4GHz
Puerto Salida
P5
P6
P7
P8
0°
90°
45°
135°
I
P1
0°
91,5°
45°
135,4°
S
0°
87°
37°
141°
M
-45°
45°
-180°
-90°
I
P2
-42,7°
45°
-179°
-89°
S
-55°
45°
-187°
-99°
M
P4
-135,4°
-45,3°
-91°
0°
S
-133°
-45°
-85°
0°
M
Puerto de Entrada en 2.4GHz
Puerto Salida
P5
P6
P7
P8
-90°
-180°
45°
-45°
I
Sistema
Parámetro
Ancho de banda
Atenuación lóbulos laterales
Cobertura
Relación FtB
Haces ortogonales
P3
-89,6°
-181,1°
45°
-44,3°
S
Especificación
≥ 200MHz
≥ 3dB
90° a 70°
≥ 15dB
Sí
-91°
-179°
45°
-53°
M
-135°
-45°
-90°
0°
I
Simulación
200Hz
≥ 5,4dB
83° a 68°
Aprox.
Medición
200MHz
≥ 6dB
90° a 70°
≥ 17dB
Aprox.
También se realizó el diseño y simulación de otro sistema que evita el
uso de cables e integra las antenas con el beamformer mediante el uso de
un crossover más. Este sistema no se implementó dado que el anterior
posibilitaba la medición de las distintas partes del mismo, mientras que este
no. A continuación se muestra el sistema, las simulaciones de módulos y
fases del puerto 1, y los patrones resultantes en forma 3D para cada uno de
los puertos de entrada (1, 2, 3 y 4), y polar multipuerto, el sistema se
encuentra totalmente especificado en simulaciones y solo quedaría por
implementarlo y medir sus patrones de radiación.
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 192 – Diagrama del sistema integrado
Figura 193 – Módulos parámetros S salidas del puerto 1 del segundo sistema
Figura 194 – Fases parámetros S salidas del puerto 1 del segundo sistema
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 195 – Patrón 3D puerto 1 simulado en 2.3GHz
Figura 196 – Patrón 3D puerto 2 simulado en 2.3GHz
Figura 197 – Patrón 3D puerto 3 simulado en 2.3GHz
117
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 198 – Patrón 3D puerto 4 simulado en 2.3GHz
Figura 199 – Patrón polar completo simulado en 2.3GHz
Figura 200 – Patrón 3D puerto 1 simulado en 2.4GHz
118
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 201 – Patrón 3D puerto 2 simulado en 2.4GHz
Figura 202 – Patrón 3D puerto 3 simulado en 2.4GHz
Figura 203 – Patrón 3D puerto 4 simulado en 2.4GHz
119
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 204 – Patrón polar completo simulado en 2.4GHz
Figura 205 – Patrón 3D puerto 1 simulado en 2.5GHz
Figura 206 – Patrón 3D puerto 2 simulado en 2.5GHz
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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Figura 207 – Patrón 3D puerto 3 simulado en 2.5GHz
Figura 208 – Patrón 3D puerto 4 simulado en 2.5GHz
Figura 209 – Patrón polar completo simulado en 2.5GHz
121
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
Juan Matías Laco
Como puede verse de los distintos valores obtenidos, este sistema
posee una diferencia de fase y módulo mucho más constante que el
implementado y los haces tienden a ser más ortogonales, aunque su
comportamiento es similar al implementado. Se cumplen en este sistema
también, en las simulaciones, las distintas especificaciones dadas para el
sistema (en base a los resultados obtenidos en el otro sistema podemos
confiar que este nuevo diseño se comportará de forma análoga a las
simulaciones si es implementado).
En cuanto a otros futuros trabajos, se podría realizar un switch para
selección de haces y tracking, y relajando un poco los criterios de ancho de
banda, el escalado del mismo a dimensiones más pequeñas.
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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7. Referencias
[1] L. Besser and R. Gilmore: “Practical Rf Cicuit Design for Modern Wireless
Systems”, Artech House, Norwood, Inglaterra, 2003.
[2] F. Gustrau and D. Manteuffel: “EM Modeling of Antennas and RF Components for
Wireless Communication Systems”, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2006.
[3] C.A. Balanis: “Antenna Theory: Analysis and Design”, John Wiley & Sons, Nueva
York, 1997.
[4] T. Macnamara: “Handbook of Antennas for EMC”, Artech House, Londres, 1995.
[5] F.H.L. Lor: “Broad Bandwidth Microstrip Patch Antenna for cellular Base Station”,
University of Queensland, Australia, 2002.
[6] A. El Zooghby: “Smart Antenna Engineering”, Artech House, Londres, 2005.
[7] D. M. Pozar: “Microwave Engineering” Second Edition, John Wiley & Sons, Inc.,
Canada, 1998.
[8] Ming-Wei Zhou, Li Li, and Qiu-Yan Yin: “Optimal Model for Wiggly Coupled
Microstrips in Directional Coupler and Schiffman Phase Shifter”, East China Normal
University, China, 2007.
[9] C. B. Dietrich, Jr.: “Adaptive arrays and diversity antenna configurations for
handheld wireless communication terminals”, Ph.D. dissertation, Virginia Polytechnic
Institute and State University, Blacksburg, 2000.
[10] N. C. T. Desmond: “Smart antennas for wireless applications and switched
beamforming”, The University of Queensland, Brisbane, Australia, 2001.
[11] T. S. N. Chan: “Butler matrix feed configuration for phased array”, University of
Queensland, Department of Electrical and Computer Engineering, Brisbane, Australia,
1994.
124
SISTEMA DE BEAMFORMER Y ANTENAS PATCH EN 2.4GHZ
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7.1. Anexo 1 - Datasheet Sustrato Taconics RF35
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126
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7.2. Anexo 2 – CD